KR102024917B1 - Vapour deposition method for fabricating lithium-containing thin film layered structures - Google Patents
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Abstract
다중-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법은 제 1 층을 위하여 의도된 화합물 및 제 2 층을 위해 의도된 화합물의 각각의 컴포넌트 엘리먼트의 증기 소스를 제공하는 단계 ― 증기 소스들은 적어도 리튬 소스, 산소 소스, 하나 또는 그 초과의 유리-형성 엘리먼트들의 소스 또는 소스들, 및 하나 또는 그 초과의 전이 금속들의 소스 또는 소스들을 포함함 ―; 기판을 제 1 온도로 가열하는 단계; 적어도 리튬, 산소 및 하나 또는 그 초과의 전이 금속들로부터의 컴포넌트 엘리먼트들을 가열된 기판상에 동시 증착하는 단계 ― 컴포넌트 엘리먼트들은 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층을 형성하기 위하여 기판상에서 반응함 ―; 기판을 제 1 온도로부터 실질적으로 170℃ 또는 그 미만의 온도 범위 내의 제 2 온도로 가열하는 단계; 및 적어도 리튬, 산소 및 하나 또는 그 초과의 유리의 증기 소스들로부터의 컴포넌트 엘리먼트들을 가열된 기판상에 동시 증착하는 단계 ― 컴포넌트 엘리먼트들은 비결정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층을 형성하기 위하여 기판상에서 반응함 ―를 포함한다.The vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure provides a vapor source of each component element of a compound intended for a first layer and a compound intended for a second layer, the vapor sources being at least a lithium source, An oxygen source, a source or sources of one or more glass-forming elements, and a source or sources of one or more transition metals; Heating the substrate to a first temperature; Simultaneously depositing component elements from at least lithium, oxygen, and one or more transition metals on a heated substrate, wherein the component elements react on the substrate to form a layer of crystalline lithium-containing transition metal oxide compound; ; Heating the substrate to a second temperature within the temperature range of substantially 170 ° C. or less from the first temperature; And simultaneously depositing component elements from at least lithium, oxygen, and one or more vapor sources of glass onto the heated substrate, wherein the component elements form a substrate to form a layer of amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound. Reacts in phase.
Description
본 발명은 기상 증착에 의해 리튬 화합물들을 포함하는 박막 층 구조들을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing thin film layer structures comprising lithium compounds by vapor deposition.
박막 형태로 재료들의 증착은 박막들의 많은 애플리케이션들로 인해 큰 관심 대상이고, 다양한 상이한 증착 기술들은 알려져 있다. 다양한 기술들은 특정 재료들에 거의 적당하고, 생성된 박막의 품질, 컴포지션(composition) 및 특성들은 그의 형성에 사용된 프로세스에 통상적으로 크게 좌우된다. 결과적으로, 특정 애플리케이션들에 적당한 박막들을 생성할 수 있는 증착 프로세스들을 개발하는 것에 많은 연구가 기울여졌다.Deposition of materials in thin film form is of great interest for many applications of thin films, and a variety of different deposition techniques are known. Various techniques are nearly suitable for certain materials, and the quality, composition and properties of the resulting thin film typically depend largely on the process used for its formation. As a result, much research has been devoted to developing deposition processes that can produce thin films suitable for specific applications.
박막 재료들의 중요한 애플리케이션은 고체 상태 박막 셀들 또는 배터리들, 이를테면 리튬 이온 셀들에서이다. 그런 배터리들은 적어도 3개의 컴포넌트들로 구성된다. 2개의 액티브 전극들(애노드 및 캐소드)은 전해질에 의해 분리된다. 이들 컴포넌트들 각각은 박막으로서 형성되고, 지지 기판상에 순차적으로 증착된다. 전류 컬렉터들, 인터페이스 모디파이어(modifier)들 및 캡슐화부들 같은 부가적인 컴포넌트들이 또한 제공될 수 있다. 제조시, 컴포넌트들은 예컨대 캐소드 전류 컬렉터, 캐소드, 전해질, 애노드, 애노드 전류 컬렉터 및 캡슐화부의 순서로 증착될 수 있다. 이들 배터리들의 구조는, 특정 층의 제조가 이미 증착된 임의의 층들 상에 해로운 효과를 가지지 않아야 하기 때문에, 개별 컴포넌트들의 증착 프로세스들에 부가적인 부담들을 준다.An important application of thin film materials is in solid state thin film cells or batteries, such as lithium ion cells. Such batteries consist of at least three components. Two active electrodes (anode and cathode) are separated by an electrolyte. Each of these components is formed as a thin film and deposited sequentially on the support substrate. Additional components may also be provided, such as current collectors, interface modifiers, and encapsulations. In manufacturing, the components can be deposited, for example, in the order of cathode current collector, cathode, electrolyte, anode, anode current collector and encapsulation. The structure of these batteries places additional burdens on the deposition processes of the individual components since the manufacture of a particular layer should not have a detrimental effect on any layers already deposited.
리튬 이온 배터리 예에서, 애노드 및 캐소드는 리튬을 가역적으로 저장할 수 있다. 애노드 및 캐소드 재료들의 다른 요건들은 재료의 낮은 질량 및 부피로 달성될 수 있는 높은 중량 측정 및 부피 측정 스토리지 용량들이지만, 단위당 저장되는 리튬 이온들의 수는 가능한 한 높아야 한다. 재료들은 또한, 이온들 및 전자들이 배터리 충전 및 방전 프로세스 동안 전극들을 통하여 이동할 수 있도록, 허용 가능한 전자 및 이온 전도를 나타내야 한다.In a lithium ion battery example, the anode and cathode can reversibly store lithium. Other requirements for anode and cathode materials are high gravimetric and volumetric storage capacities that can be achieved with low mass and volume of material, but the number of lithium ions stored per unit should be as high as possible. The materials must also exhibit acceptable electron and ion conduction so that ions and electrons can move through the electrodes during the battery charge and discharge process.
그렇지 않으면, 애노드, 캐소드 및 전해질은 상이한 특성들을 요구한다. 캐소드는 높은 전위들에서 가역적 리튬 인터칼레이션(intercalation)을 제공하여야 하는 반면, 애노드는 낮은 전위들에서 가역적 리튬 인터칼레이션을 제공하여야 한다.Otherwise, the anode, cathode and electrolyte require different properties. The cathode should provide reversible lithium intercalation at high potentials, while the anode should provide reversible lithium intercalation at low potentials.
전해질은 물리적으로 애노드 및 캐소드를 분리하여, 배터리의 단락을 방지하기 위하여 극히 낮은 전기 전도율을 가져야 한다. 그러나, 합리적인 충전 및 방전 특성들을 가능하게 하기 위하여, 재료의 이온 전도율은 가능한 한 높아야 한다. 게다가, 재료는 사이클링 프로세스 동안 안정되어야 하고 캐소드 또는 애노드 중 어느 하나와 반응하지 않아야 한다.The electrolyte must have an extremely low electrical conductivity to physically separate the anode and cathode, to prevent short circuit of the battery. However, in order to enable reasonable charge and discharge characteristics, the ionic conductivity of the material should be as high as possible. In addition, the material must be stable during the cycling process and must not react with either the cathode or the anode.
고체 상태 배터리들의 제조는 다양한 난제들을 제기한다. 특히, 캐소드들로서 사용하기에 적당한 재료들을 생성하기 위한 신뢰성 있고 효율적인 기술들은 큰 관심 대상이다. 몇몇 대중적 캐소드 재료들에 대해, 배터리의 캐소드 층은 상기 서술된 요구된 특성들을 제공하기 위해 결정질 구조를 가지도록 요구받는다. 그러나, 완전한 배터리의 제조 및 프로세싱에서 차후 단계들과 호환하는 방식으로 품질 좋은 결정질 캐소드 층을 증착하는 것은 종종 문제이다. 전해질 재료들은 종종 비정질인 것이 바람직하거나 비정질이도록 요구받고, 추가의 난제들은 요구된 전기화학 사이클링 및 재생 가능 높은 수율 생성 방법들로부터 발생하는 충분히 높은 이온 전도율, 낮은 전자 전도율, 및 낮은 기계적 스트레스를 가진 고체 전해질들의 식별이었다.The manufacture of solid state batteries poses a variety of challenges. In particular, reliable and efficient techniques for producing materials suitable for use as cathodes are of great interest. For some popular cathode materials, the cathode layer of the battery is required to have a crystalline structure to provide the required properties described above. However, depositing a quality crystalline cathode layer in a manner compatible with subsequent steps in the manufacture and processing of a complete battery is often a problem. Electrolyte materials are often required to be amorphous or desired to be amorphous, and additional challenges are solids with sufficiently high ionic conductivity, low electron conductivity, and low mechanical stress resulting from the required electrochemical cycling and renewable high yield generation methods. Identification of the electrolytes.
박막 배터리들의 컴포넌트들을 증착하는 많은 상이한 방법들이 공지되어 있다. '물리적 기상 증착'이라는 포괄적 용어를 사용하여 일반적으로 지칭되는 박막들로의 합성 루트들은 펄스 레이저 증착(Tang, S.B., et al., J. Solid State Chem., 179(12), (2006), 3831-3838), 플래시 증착(flash evaporation)(Julien, C.M. and G.A. Nazri, Chapter 4. Materials for electrolyte: Thin Films, in Solid State Batteries: Materials Design and Optimization (1994)), 스프터링 및 열적 증착을 포함한다.Many different methods of depositing components of thin film batteries are known. Synthetic routes to thin films commonly referred to using the generic term 'physical vapor deposition' are described by pulsed laser deposition (Tang, SB, et al., J. Solid State Chem., 179 (12), (2006), 3831-3838), flash evaporation (Julien, CM and GA Nazri,
이들 중 스퍼터링은 가장 광범위한 증착 기술이다. 이런 방법에서 특정 컴포지션의 타겟은 타겟 위에 형성된 플라즈마를 사용하여 스퍼터링되고 결과적인 증기는 박막을 형성하기 위하여 기판상에 응결된다. 스퍼터링은 타겟으로부터 직접 재료들의 증착을 포함한다. 스퍼터 산물은 가변하고 디머(dimer)들, 트리머(trimer)들 또는 더 높은 차수 입자들을 포함할 수 있다(Thornton, J.A. and J.E. Greene, Sputter Deposition Processes, in Handbook of Deposition Technologies for films and coatings, R.F. Bunshah, Editor 1994, Noyes Publications). 박막들의 증착 레이트(rate), 컴포지션, 형태학, 결정도 및 성능은 사용된 스퍼터링 파라미터들과의 복합 관계에 의해 결정된다.Of these, sputtering is the most extensive deposition technique. In this way the target of a particular composition is sputtered using a plasma formed over the target and the resulting vapor condenses on the substrate to form a thin film. Sputtering involves the deposition of materials directly from a target. The sputter product is variable and may contain dimers, trimers or higher order particles (Thornton, JA and JE Greene, Sputter Deposition Processes, in Handbook of Deposition Technologies for films and coatings, RF Bunshah , Editor 1994, Noyes Publications). The deposition rate, composition, morphology, crystallinity and performance of the thin films is determined by the complex relationship with the sputtering parameters used.
스퍼터링은, 증착된 재료의 특성들 및 성능에 대해 다양한 스퍼터링 파라미터들의 효과를 예측하기 어렵다는 점에서 바람직하지 않을 수 있다. 부분적으로 이것은 막 특성들과 증착 파라미터들의 교락(confounding)으로 인한다. 스퍼터링된 박막들의 증착 레이트, 컴포지션, 형태학, 결정도 및 성능은 사용된 스퍼터링 파라미터들과의 복합 관계에 의해 결정된다. 따라서, 막의 다른 특성들에 영향을 미치지 않고 스퍼터링된 막의 개별 파라미터들(예컨대, 단일 엘리먼트의 농도, 증착 레이트 또는 결정도)를 변경하는 것은 매우 어려울 수 있다. 이것은 막의 최적화 및 그러므로 임의의 의도된 배터리 또는 극히 문제가 있는 다른 박막 디바이스의 특성들의 최적화를 만드는 관심 있는 컴포지션을 달성하는데 어려움들을 초래한다.Sputtering may be undesirable in that it is difficult to predict the effects of various sputtering parameters on the properties and performance of the deposited material. In part this is due to the confounding of film properties and deposition parameters. The deposition rate, composition, morphology, crystallinity and performance of the sputtered thin films are determined by the complex relationship with the sputtering parameters used. Therefore, it can be very difficult to change individual parameters (eg, concentration, deposition rate or crystallinity of a single element) of the sputtered film without affecting other properties of the film. This results in difficulties in achieving the composition of interest, which makes the optimization of the membrane and therefore the optimization of the properties of any intended battery or other problematic thin film device.
펄스 레이저 증착(PLD) 기술은 컴포지션적으로 고유한 타겟의 사용 및 높은 에너지들의 사용으로 인해, 스퍼터링과 많은 특성들을 공유한다. 게다가, 이런 루트는 종종 매우 거친 샘플들을 생성하고, 이는 또한 스프터링에 문제이다. PLD에 의해 준비된 박막들의 표면 형태학은 거친 것이 주의되었고, 상향으로 30 nm로부터의 사이즈들을 가진 그레인(grain)들의 형성은 증착 온도에 좌우된다((Wang et al. Electrochimica Acta 102 (2013) 416-422). 표면 거칠기는 고체 상태 배터리 같은 층진 박막 구조들에서 매우 바람직하지 않고, 여기서 임의의 큰 돌출하는 피처(feature)들은 인접 층 내로 또는 심지어 인접 층을 통하여 잘 연장될 수 있다.Pulsed laser deposition (PLD) technology shares many properties with sputtering due to the use of compositionally unique targets and the use of high energies. In addition, this route often produces very rough samples, which is also a problem with sputtering. Prepared by PLD It was noted that the surface morphology of the thin films is rough, and the formation of grains with sizes from 30 nm upwards depends on the deposition temperature (Wang et al. Electrochimica Acta 102 (2013) 416-422). Is very undesirable in layered thin film structures such as solid state batteries, where any large projecting features can extend well into or even through adjacent layers.
화합물 소스들의 열 증착으로부터 박막들의 증착은 (LMO, 리튬 망간 산화물) 및 (Julien, C.M. and G.A. Nazri, Chapter 4. Materials for electrolyte: Thin Films, in Solid State Batteries: Materials Design and Optimization (1994)) 같은 재료들에 대한 배터리 컴포넌트들의 합성에서 보여진다. 이 예에서 입자 에너지들은 스퍼터링시 직면되는 에너지들보다 훨씬 낮고, 이는 클러스터 형성을 방지할 수 있고, 표면 거칠기를 감소시킬 수 있고 그리고 부드럽고, 손상되지 않은 표면들을 제공할 수 있다. 그러나, 소스와 결과적인 박막 사이의 컴포지션의 변동 같은 문제들은 화합물 증착 타겟들(스퍼터링 및 PLD를 포함함)로 시작하는 모든 루트들에 공통이다. 게다가, 기판 온도와 증착된 막의 컴포지션 사이의 관계가 존재하고 또 다시 파라미터들의 교락으로 인해 재료 성능을 최적화하는데 어려움들을 초래한다는 것이 주의된다.Deposition of thin films from thermal deposition of compound sources (LMO, lithium manganese oxide) and (Julien, CM and GA Nazri,
대안은 엘리먼트들로부터 직접 열 증착이지만, 이것은 드물다. Julien 및 Nazri (Chapter 4. Materials for electrolyte: Thin Films, in Solid State Batteries: Materials Design and Optimization (1994))는 엘리먼트들로부터 직접 (X = I, Cl, SO4 및 n = 1,2)를 합성하기 위한 시도를 시사하지만, 어떠한 결과들로 보고되지 않고 저자들은 "이 기술을 구현하는데 어려움들이 산소 펌핑을 강화하고, 시스템의 가열된 부분들과 높은 산소 반응성을 회피하고, 그리고 표면상에서 산소 반응들을 강화하기 위하여 산소 단원자 소스를 이용 가능하게 하는데 있다"는 것을 언급한다. An alternative is thermal deposition directly from the elements, but this is rare. Julien and Nazri (
이전에, 본 발명자들은 구성 엘리먼트들로부터 직접 몇몇 박막 배터리 컴포넌트들에 적당한 인-함유 재료들의 합성을 보여줬다(WO 2013/011326; WO 2013/011327). 그러나, 이런 프로세스의 복잡성은 인산염의 형성을 가능하게 하기 위하여 인을 쪼개기 위한 크래커(cracker)의 사용이다. 캐소드(리튬 철 인산염(LFP)-예 5, 리튬 망간 인산염(LMP)-예 7) 및 전해질 재료들((-예 1 및 질소 도핑 -예 6)의 합성이 개시된다. 증착된 재료들은 비정질이고, 따라서 어닐링은 각각 LFP 및 LMP에 대해 500℃ 및 600℃의 온도들에서 캐소드 재료들을 결정화하기 위하여 사용된다. 비록 이런 작업이 박막 셀을 생성하기 위한 3개의 기본 빌딩 블록들 중 2개를 보여주지만, 동작 셀을 보여주지 않는다. 게다가, 이런 작업에서 보여진 이온 전도율들은 셀이 실온에서 올바르게 기능하기에는 너무 낮다. 실온에서 1 x 10-6 S cm-1의 전도율이 만족스러운 성능을 위하여 요구되지만, 이것이 보여지지 않았다는 것은 널리 알려져 있다.Previously, we have shown the synthesis of phosphorus-containing materials suitable for some thin film battery components directly from the constituent elements (WO 2013/011326; WO 2013/011327). However, the complexity of this process is the use of crackers to break down phosphorus to enable the formation of phosphates. Cathode (lithium iron phosphate (LFP) -example 5, lithium manganese phosphate (LMP) -example 7) and electrolyte materials (( Example 1 and nitrogen doping The synthesis of Example 6) is initiated. The deposited materials are amorphous, so annealing is used to crystallize the cathode materials at temperatures of 500 ° C. and 600 ° C. for LFP and LMP, respectively. Although this work shows two of the three basic building blocks for creating a thin film cell, it does not show the working cell. In addition, the ionic conductivities shown in this work are too low for the cell to function properly at room temperature. It is well known that a conductivity of 1 × 10 −6 S cm −1 at room temperature is required for satisfactory performance, but this has not been shown.
(LMO) 및 (LMNO) 같은 기술 캐소드 재료들의 상태는 최적 이온 전도율을 달성하기 위하여 결정질 상태에 있을 것이 요구된다. 이것은 낮은 온도 증착 다음 높은 기판 온도들에서 포스트(post) 어닐링 또는 증착에 의해 달성될 수 있다. 낮은 기판 온도들(250℃ 미만)에서 증착된 캐소드들은 종종 불충분한 결정질이고, 이는 감소된 성능을 초래한다. 그러므로, 추가 결정화 단계가 요구되고; 이것은, 비록 이 단계가 막에서 리튬 결핍을 초래할 수 있지만(Singh et al. J. Power Sources 97-98 (2001), 826-831), 포스트-증착, 높은 온도 어닐링에 의해 통상적으로 달성된다. 가열된 기판에 RF-스퍼터링에 의해 증착된 LMO의 샘플들은 250℃의 초기 결정화 온도를 가지는 것으로 발견되었지만, 200℃ 미만의 기판 온도를 사용하여 성장될 막들은 X-선 비정질인 재료들과 동일한 넓고 분산된 XRD 패턴을 나타냈다(Jayanth et al. Appl Nanosci. (2012) 2:401-407). (LMO) and The state of technical cathode materials such as (LMNO) is required to be in a crystalline state to achieve optimal ion conductivity. This may be accomplished by post annealing or deposition at high substrate temperatures following low temperature deposition. Cathodes deposited at low substrate temperatures (less than 250 ° C.) are often insufficient crystalline, resulting in reduced performance. Therefore, an additional crystallization step is required; This is typically accomplished by post-deposition, high temperature annealing, although this step can lead to lithium deficiency in the membrane (Singh et al. J. Power Sources 97-98 (2001), 826-831). Samples of LMO deposited by RF-sputtering on heated substrates were found to have an initial crystallization temperature of 250 ° C., but films to be grown using substrate temperatures below 200 ° C. were broad and the same as those of X-ray amorphous materials. Dispersed XRD patterns were shown (Jayanth et al. Appl Nanosci. (2012) 2: 401-407).
결정질 (LMNO) 박막들은 550과 750℃ 사이의 더 높은 기판 온도들에서 PLD를 사용하여 증착된 다음 동일한 온도에서 1시간 동안 포스트 어닐링된다(Wang et al. Electrochimica Acta 102 (2013) 416-422). 이들 같은 높은 기판 온도들을 사용하는 것은 특정 단점들을 가진다. 리튬의 손실은 더 높은 온도들에서 더 크고, 증착된 막과 기판 사이에 재료들의 분산으로 인한 상호 오염의 가능성이 있고, 이는 사용하기 위해 이용 가능한 기판들을 제한한다.Crystalline (LMNO) thin films are deposited using PLD at higher substrate temperatures between 550 and 750 ° C. and then post annealed for one hour at the same temperature (Wang et al. Electrochimica Acta 102 (2013) 416-422). Using high substrate temperatures such as these have certain drawbacks. The loss of lithium is greater at higher temperatures and there is a possibility of cross contamination due to the dispersion of materials between the deposited film and the substrate, which limits the substrates available for use.
결정화하기 위하여 높은 온도에 재료를 노출시키는 것을 포함하는 어닐링의 프로세스는, 증착된 재료가 불충분한 결정질일 때마다 잠재적으로 적용 가능하다. 요구된 온도는 재료에 따를 것이지만, 통상적으로 적어도 500℃이고 상당히 더 높을 수 있고, 결과적인 결정질 층은 빈약한 품질을 가질 수 있다. 예로서, 캐소드 재료 리튬 망간 니켈 산화물(LMNO; )은 스퍼터링된 박막들을 어닐링함으로써 결정화되었지만, 결과적인 층들은 다결정질이고 50-150 nm 사이의 직경들을 가진 그레인들로 구성된다. 막들은 또한 다수의 불순물 위상들을 포함하는 것으로 도시되었다(Baggetto et al., J Power Sources 211 (2012) 108-118).The process of annealing, which involves exposing the material to high temperatures to crystallize, is potentially applicable whenever the deposited material is insufficient crystalline. The required temperature will depend on the material, but is typically at least 500 ° C. and can be significantly higher, and the resulting crystalline layer may have poor quality. As an example, the cathode material lithium manganese nickel oxide (LMNO; ) Was crystallized by annealing the sputtered thin films, but the resulting layers were polycrystalline and consist of grains with diameters between 50-150 nm. The films have also been shown to contain multiple impurity phases (Baggetto et al., J Power Sources 211 (2012) 108-118).
또한, 어닐링은 바람직한 않은 복잡성이 있고, 특히 완성된 배터리 또는 다른 층진 디바이스의 제조 시 문제이다. 논의된 바와같이, 기술 재료들의 상태에 기초한 고체 상태 배터리들은 결정질 전극들(으로 만들어진 캐소드들 같은) 및 비정질 전해질들(LiPON 같은)을 요구한다. 이런 요건은, 전해질의 결정화를 회피하기 위하여, 일반적으로 전해질 층의 증착 전에 캐소드를 어닐링하는 것이 필요하다는 것을 의미한다. 이런 단계는 충분한 결정화를 제공하기 위하여 시간 및 에너지 둘 다를 요구한다. 게다가, 졸-겔 및 고체 상태 합성을 위한 하나 또는 그 초과의 높은 온도 프로세싱 단계들(예컨대, : PLD 동안 550-750℃(Wang, Y., et al., Electrochimica Acta, (2013), 102(0), 416-422) 및 750-800℃에서 다수의 어닐링(Zhong, Q., et al., J. Electrochem. Soc., (1997), 144(1), 205-213)은 통상적으로 요구되고, 이에 의해 그런 높은 온도 프로세싱과 호환 가능한 것들로 기판 같은 컴포넌트들이 제한된다. 부가적으로 그런 프로세스는, 이미 증착된 임의의 비정질 전해질이 또한 어닐링되어, 결정화가 유발되기 때문에, 셀들의 스택(stack)을 생성하기 위하여 기존 셀상에 부가적인 셀의 증착을 방지한다. 그런 결정화는 기술적 전해질(LiPON) 상태의 이온 전도율의 극적 감소를 유발하는 것으로 알려져 있다. 결정질(LiPON)의 전도율은 비정질 재료의 전도율보다 7배만큼 작을 수 있다는 것이 알려져 있다(Bates et al. Synthesis, Crystal Structure, and Ionic Conductivity of a Polycrystalline Lithium Phosphorus Oxynitride with the γ-Li3PO4 Structure. Journal of Solid State Chemistry 1995, 115, (2), 313-323). 그런 높은 온도 프로세싱과 연관된 추가 문제들은 개별 층들의 박리(delamiantion) 및 크랙킹(cracking)을 포함한다.In addition, annealing is of undesirable complexity and is particularly problematic in the manufacture of finished batteries or other layered devices. As discussed, solid-state batteries based on the state of the art materials are crystalline electrodes ( Cathodes) and amorphous electrolytes (such as LiPON). This requirement means that in order to avoid crystallization of the electrolyte, it is generally necessary to anneal the cathode prior to the deposition of the electrolyte layer. This step requires both time and energy to provide sufficient crystallization. In addition, one or more high temperature processing steps (eg, for sol-gel and solid state synthesis) : Multiple annealing at 550-750 ° C. (Wang, Y., et al., Electrochimica Acta, (2013), 102 (0), 416-422) and 750-800 ° C. during PLD (Zhong, Q., et al. , J. Electrochem. Soc., (1997), 144 (1), 205-213 are commonly required, thereby limiting components such as substrates to those compatible with such high temperature processing. In addition, such a process prevents the deposition of additional cells on existing cells to create a stack of cells since any amorphous electrolyte already deposited is also annealed to cause crystallization. Such crystallization is known to cause a dramatic decrease in the ionic conductivity of the technical electrolyte (LiPON) state. It is known that the conductivity of crystalline (LiPON) can be 7 times smaller than that of amorphous materials (Bates et al. Synthesis, Crystal Structure, and Ionic Conductivity of a Polycrystalline Lithium Phosphorus Oxynitride with the γ-Li3PO4 Structure. State Chemistry 1995, 115, (2), 313-323). Additional problems associated with such high temperature processing include delamiantion and cracking of the individual layers.
기술들은 이들 문제들을 처리하기 위하여 제안되었다. 예컨대, 이온들의 포커싱된 빔을 제공함으로써 결정질 막들을 적소에 증착하는 것이 가능하다는 것이 도시되었다(WO 2001/73883). 이 경우 캐소드 재료의 흡착 원자(adatom)들(이 경우 구조 또는 막 내에 아직 형성되지 않은 재료의 입자, 분자 또는 이온으로서 정의됨)은 기판상에 증착되는 되는 반면, 이온들의 제 2 플럭스(flux)는 캐소드 재료에 에너지를 공급하였다. 제 2 재료의 플럭스는 원하는 결정질 재료의 성장을 돕기 위하여 제 1 재료에 에너지를 제공하였다. 이것은 캐소드로서 를 보여줬다. 의 경우에서, O2 이온들의 빔이 활용되었다. 이런 산소 빔은 의 결정화 및 화학양론 둘 다를 제어하는 2개의 기능들을 가지는 것으로 언급된다(EP 1,305,838). 이온들의 빔은 박막들의 준비시 직면되는 3개의 문제들을 처리한다 - 컴포지셔널 제어, 밀집한 막들의 준비 및 결과적인 막들의 결정화. 그러나, 이온 빔은 복잡한 양상의 프로세스이다.Techniques have been proposed to address these issues. For example, it has been shown that it is possible to deposit crystalline films in place by providing a focused beam of ions (WO 2001/73883). In this case the adsorbent atoms of the cathode material (in this case defined as particles, molecules or ions of the material not yet formed in the structure or film) are deposited on the substrate, while the second flux of ions Energized the cathode material. The flux of the second material provided energy to the first material to assist in the growth of the desired crystalline material. This is the cathode Showed. In the case, a beam of O 2 ions was utilized. This oxygen beam It is said to have two functions that control both crystallization and stoichiometry of (EP 1,305,838). The beam of ions addresses three problems encountered in the preparation of thin films-compositional control, preparation of dense films and crystallization of the resulting films. However, ion beams are a complex aspect of the process.
배터리의 전해질 컴포넌트로 돌아가서, 결정질 및 비-결정질(비정질) 전해질 재료들 둘 다가 고려되었다. 리튬 란타늄 티타네이트(LLTO), 티오-LISICON, MASICON-타입 및 같은 결정질 재료들은 일반적으로 우수한 이온 전도율(의 경우에서 예컨대 까지)를 나타내고 따라서 전해질들에 대해 우수한 후보인 것으로 나타난다. 그러나, 이들 재료들은, 배터리 시스템들에 적용될 때 문제들을 제시한다. 산화물들(LLTO, 티오-LISICON 및 NASICON-타입)의 경우에 전해질 내의 전이 금속들은 환원하기 쉽고, 이는 재료가 전자 전도율을 나타내고 따라서 배터리를 단락시키게 한다. 같은 황화물 시스템들은 극히 높은 전도율들을 제시하지만 공기 및 물에 노출될 때 분해되기 쉽고, 이는 유독성 의 방출 및 성능의 저하를 유발한다. 게다가, 산화물 및 황화물 결정질 전해질들 둘 다는 극히 높은 프로세싱 온도들을 요구한다. 이들 이유들 때문에, 결정질 전해질들은 상업적 박막 배터리 시스템들에서 활용되지 않았다.Returning to the electrolyte component of the battery, both crystalline and non-crystalline (amorphous) electrolyte materials were considered. Lithium Lanthanum Titanate (LLTO), Thio-LISICON, MASICON-Type And Such crystalline materials generally have good ionic conductivity ( In the case of ) And therefore appear to be a good candidate for electrolytes. However, these materials present problems when applied to battery systems. In the case of oxides (LLTO, thio-LISICON and NASICON-type), the transition metals in the electrolyte are easy to reduce, which causes the material to exhibit electron conductivity and thus short the battery. The same sulfide systems present extremely high conductivity but are prone to degradation when exposed to air and water, which is toxic. Causes the release and degradation of performance. In addition, both oxide and sulfide crystalline electrolytes require extremely high processing temperatures. For these reasons, crystalline electrolytes have not been utilized in commercial thin film battery systems.
리튬 인 산질화물(LiPON), 리튬 규산염 및 리튬 붕규산염 같은 비정질 전해질들은 훨씬 낮은 레벨들의 이온 전도율을 나타낸다. 비록 이들 재료들의 최적 전도율이 결정질 재료들의 전도율보다 적어도 2배 낮지만, 전해질이 두께 미만이면, 이것은 허용 가능한 것으로 결정되었다(Julien, C. M.; Nazri, G. A., Chapter 1. Design and Optimisation of Solid State Batteries. In Solid State Batteries: Materials Design and Optimization, 1994). LiPON은 의 허용 가능 이온 전도율을 가지며 공기 및 사이클링될 때 리튬에 대해 안정된 것으로 보여졌다. 제조의 용이성과 결합되어 이들 이유들 때문에, 이는 고체 상태 배터리들의 제 1 세대에서 널리 채택되었다(Bates, J. B.; Gruzalski, G. R.; Dudney, N. J.; Luck, C. F.; Yu, X., Rechargeable Thin Film Lithium Batteries. Oak Ridge National Lab and Solid State Ionics 1993; US 5,338,625). 이들 전해질들의 비정질 성질은 그들의 성능에 중요하고; 결정질 LiPON은 비정질 재료보다 7배 낮은 이온 전도율을 가진다. 그러나, 비정질 LiPON은 표준 합성 기술들을 사용하여 LMO(, 리튬 망간 산화물) 및 LMNO(, 리튬 망간 니켈 산화물) 같은 캐소드 재료들을 어닐링하기 위하여 통상적으로 필요한 온도보다 낮은 온도들에서 결정화할 것이고, 이에 의해 이들 재료들을 포함하는 박막 배터리의 제조가 복잡해진다.Amorphous electrolytes such as lithium phosphorus oxynitride (LiPON), lithium silicate and lithium borosilicate exhibit much lower levels of ionic conductivity. Although the optimum conductivity of these materials is at least twice lower than that of crystalline materials, the electrolyte If less than this, it was determined to be acceptable (Julien, CM; Nazri, GA,
따라서, 비정질 전해질들은 큰 관심대상이다. LiPON에 대한 대안은 비정질 리튬 붕규산염이다. LiPON과 유사한 이온 전도율을 가진 비정질 리튬 붕규산염 재료들은 생성되었지만, 방법들에 의해 빠른 퀀칭(quenching)이 요구된다(Tatsumisago, M.; Machida, N.; Minami, T., Mixed Anion Effect in Conductivity of Rapidly Quenched Li4SiO4-Li3BO3 Glasses. Yogyo-Kyokai-Shi 1987, 95, (2), 197-201). 이런 합성 방법은 유리의 불규칙한 "스플랫(splat)들'을 초래하고, 이는 박막 배터리들로의 프로세싱에 적당하지 않다. 유사한 컴포지션들의 스퍼터링에 의한 합성은 박막들에서 시도되었지만, 이들은 성공하지 못하였고, 빠르게 퀀칭되는 유리에 비교될 때 상당히 감소된 전도율들을 가진 재료들을 초래하였다(Machida, N.; Tatsumisago, M.; Minami, T., Preparation of amorphous films in the systems Li2O2 and Li2O-B2O3-SiO2 by RF-sputtering and their ionic conductivity. Yogyo-Kyokai-Shi 1987, 95, (1), 135-7). Thus, amorphous electrolytes are of great interest. An alternative to LiPON is amorphous lithium borosilicate. Amorphous lithium borosilicate materials with ionic conductivity similar to LiPON have been produced, but fast quenching is required by methods (Tatsumisago, M .; Machida, N .; Minami, T., Mixed Anion Effect in Conductivity of Rapidly Quenched Li 4 SiO 4 -Li 3 BO 3 Glasses.Yogyo-Kyokai-Shi 1987, 95, (2), 197-201). This synthesis method results in irregular "splats" of glass, which is not suitable for processing into thin film batteries.Synthesis by sputtering of similar compositions has been attempted on thin films, but they have not been successful. , Resulting in materials with significantly reduced conductivity when compared to rapidly quenched glass (Machida, N .; Tatsumisago, M .; Minami, T., Preparation of amorphous films in the systems Li 2 O 2 and Li 2 OB 2 O 3 -SiO 2 by RF-sputtering and their ionic conductivity.Yogyo-Kyokai-Shi 1987, 95, (1), 135-7).
구성 엘리먼트들로부터 인산염 재료들의 박막들의 증착을 도시하는 본 발명자의 이전 작업(WO 2013/011326; WO 2013/011327)은, 기술이 리튬 붕규산염 같은 다른 재료들에 가능할 수 있다는 것을 제안한다. 그러나, 사용 동안 인산염들에 대해 설명된 방법 다음 리튬 붕규산염의 구성 엘리먼트들이 원하는 박막 재료를 생성하지 못하는 것이 발견되었다. 엘리먼트들은, 요구된 화합물이 생성되지 않도록 인산염 작업으로부터 예상된 방식으로 기판상에서 반응하지 못한다. 원자 산소 대신 분자 산소를 사용하는 것은 이런 문제를 극복하지만, 관심 있는 리튬 붕규산염 위상은, 기판 온도가 낮을 때(실온)만 달성된다. 상승된 온도들에서 분자 산소를 활용하는 리튬 붕규산염의 증착은 백금 기판들상에 증착될 때 원하지 않는 위상인 결정질 의 형성을 초래한다. 게다가, 상승된 온도들에서 증착된 재료들의 라만 스펙트라(Raman spectra)는 관심 있는 리튬 붕규산염 위상과 연관된 대역들을 나타내지 못한다. 또한, 결과적인 비정질 리튬 붕규산염은 배터리의 다른 컴포넌트들을 생성 및 프로세싱하기 위하여 요구된 상승된 온도들에 적용될 때, 또는 배터리가 높은 온도에서 사용 동안 결정화할 것이고, 이에 의해 자신의 전해질 품질들이 말살된다.The inventor's previous work (WO 2013/011326; WO 2013/011327) showing the deposition of thin films of phosphate materials from constituent elements suggests that the technique may be possible with other materials such as lithium borosilicate. However, it has been found that the components of lithium borosilicate following the method described for phosphates during use do not produce the desired thin film material. The elements do not react on the substrate in the manner expected from the phosphate operation so that the required compound is not produced. The use of molecular oxygen instead of atomic oxygen overcomes this problem, but the lithium borosilicate phase of interest is only achieved when the substrate temperature is low (room temperature). The deposition of lithium borosilicates utilizing molecular oxygen at elevated temperatures is a crystalline, undesirable phase when deposited on platinum substrates. Results in the formation of. In addition, the Raman spectra of materials deposited at elevated temperatures do not exhibit bands associated with the lithium borosilicate phase of interest. In addition, the resulting amorphous lithium borosilicate will crystallize when applied to elevated temperatures required to produce and process other components of the battery, or the battery will crystallize during use at high temperatures, thereby destroying its electrolyte qualities. .
새로운 재료들을 개발할 때 포함되는 다양한 증착 프로세스들 및 복잡성들에서 이들 많은 어려움들을 극복하기 위하여 요구되는 노력들은, 대다수의 박막 배터리들이 스퍼터링에 의해 박막으로서 증착되는 전해질로서 LiPON을 사용하는 것으로 제한되는 것을 의미한다.Efforts required to overcome these many difficulties in the various deposition processes and complexity involved in developing new materials mean that the majority of thin film batteries are limited to using LiPON as an electrolyte that is deposited as a thin film by sputtering. do.
명백히, 다른 전해질 재료들의 박막들을 만드는 개선된 방법들은 원해지고, 또한 박막 배터리들에 전극들로서 사용하기에 적당한 결정질 재료들을 증착하는 개선되고 간략화된 방법에 대한 필요가 있다. 부가적으로, 결정질 및 비정질 재료들을 형성하기 위한 방법들 사이의 비호환성들은, 박막 배터리들 및 다른 층진 박막 디바이스들의 제조 및 성능이 개선될 수 있도록 처리될 필요가 있다.Clearly, improved methods of making thin films of other electrolyte materials are desired, and there is also a need for an improved and simplified method of depositing crystalline materials suitable for use as electrodes in thin film batteries. Additionally, incompatibilities between the methods for forming crystalline and amorphous materials need to be addressed so that the fabrication and performance of thin film batteries and other layered thin film devices can be improved.
따라서, 본 발명의 제 1 양상은 다층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법에 관한 것이고, 방법은 제 1 층을 위해 의도된 화합물 및 제 2 층을 위해 의도된 화합물의 각각의 컴포넌트 엘리먼트의 기상 소스(vapour source)를 제공하는 단계 ― 상기 기상 소스는 적어도 리튬의 소스, 산소의 소스, 하나 또는 그 초과의 유리-형성 엘리먼트들의 소스 또는 소스들, 및 하나 또는 그 초과의 전이 금속들의 소스 또는 소스들을 포함함 ―; 기판을 제 1 온도로 가열하는 단계; 및 적어도 리튬, 산소 및 하나 또는 그 초과의 전이 금속들의 기상 소스로부터의 컴포넌트 엘리먼트들을 가열된 기판상에 동시-증착하는 단계 ― 상기 컴포넌트 엘리먼트들은 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층을 형성하기 위하여 상기 기판상에서 반응하고, 제 1 온도 및 제 2 온도는 실질적으로 170℃ 또는 그 미만의 온도 범위 내에 있음 ―를 포함한다.Thus, a first aspect of the invention relates to a vapor deposition method for preparing a multilayer thin film structure, the method comprising a vapor source of each component element of a compound intended for the first layer and a compound intended for the second layer. providing a vapor source, wherein the gaseous source comprises at least a source of lithium, a source of oxygen, a source or sources of one or more glass-forming elements, and a source or sources of one or more transition metals. Includes; Heating the substrate to a first temperature; And co-depositing component elements from a vapor source of at least lithium, oxygen and one or more transition metals onto a heated substrate, wherein the component elements form a layer of a crystalline lithium-containing transition metal oxide compound. Reacting on the substrate, wherein the first temperature and the second temperature are substantially in the temperature range of 170 ° C. or less.
이런 기상 증착 기술은 자기 능력으로 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물들 및 비정질 리튬-함유 산화물 및 산질화물 화합물들을 형성하기 위한 매우 간단한 방법을 제공할 뿐 아니라, 어느 한쪽 재료들에 해롭지 않은 방식으로 단일 프로세스 동안 2개의 재료들의 층들을 증착하기 위한 우수한 수단을 추가로 제공한다. 이것은 상이한 층들을 증착하기 위하여 실질적으로 동일한 기판 온도들을 사용함에 의한 것이고; 온도 범위는 양쪽 비정질 및 결정질 재료들에 대해 적당한 증착 조건들을 포함하지만, 잠재적으로 해로운 극한 온도들이 회피되게 하기에 충분히 작다. 또한, 기상 소스들로부터 증발된 입자들의 에너지는 스퍼터링 같은 알려진 기술들에서 직면되는 입자 에너지들보다 상당히 작고, 더 낮은 에너지의 입자들은 클러스터 형성을 방지하고, 거칠기를 감소시키고 부드럽고, 손상되지 않은 표면들을 층들에 제공한다. 명백하게 일반적인 이점이지만, 이 장점은 1㎛보다 작은 두께들을 가진 박막으로 구성될 수 있는 디바이스들 내에 재료의 층들을 증착할 때 중요하다. 따라서, 정밀한 물리적 및 화학적 구조를 가진 높은 품질 박막들은 생성될 수 있고, 비정질 및 결정질 재료들 두 다의 층들을 포함하는 다층 박막 구조들 및 디바이스들은 쉽게 제조될 수 있다.This vapor deposition technique not only provides a very simple method for forming crystalline lithium-containing transition metal oxide compounds and amorphous lithium-containing oxide and oxynitride compounds by magnetic capability, but also in a single, non-hazardous manner in either material. It further provides an excellent means for depositing layers of two materials during the process. This is by using substantially the same substrate temperatures to deposit different layers; The temperature range includes suitable deposition conditions for both amorphous and crystalline materials, but small enough to avoid potentially harmful extreme temperatures. In addition, the energy of particles evaporated from gaseous sources is considerably smaller than the particle energies encountered in known techniques such as sputtering, and lower energy particles prevent cluster formation, reduce roughness and produce smooth, undamaged surfaces. To the layers. While obviously a general advantage, this advantage is important when depositing layers of material in devices that can be composed of thin films with thicknesses less than 1 μm. Thus, high quality thin films with precise physical and chemical structures can be produced, and multilayer thin film structures and devices comprising layers of both amorphous and crystalline materials can be readily manufactured.
다른 장점들이 존재한다. 결정질 형태로 직접 층들 중 하나에 증착은 결정화를 생성하기 위하여 포스트-어닐링 또는 이온 빔을 요구하는 알려진 증착 기술들에 비교될 때 프로세싱 복잡성을 감소시킨다. 예컨대, 본 발명의 방법들은 증착 위치에 인접한 위치에 에너지가 인가된 재료를 제공하기 위하여 이차 소스에 대한 요건을 제거함으로써 EP1,305,838에 설명된 알려진 합성 방법을 단순화한다.There are other advantages. Deposition to one of the layers directly in crystalline form reduces processing complexity when compared to known deposition techniques that require post-annealing or ion beams to produce crystallization. For example, the methods of the present invention simplify the known synthesis method described in EP1,305,838 by eliminating the requirement for a secondary source to provide an energized material at a location adjacent to the deposition location.
층들은 임의의 순서로 증착될 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층은 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층 이전에 증착되는 반면, 다른 실시예들에서 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층은 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층 이전에 증착된다.The layers may be deposited in any order. Thus, in some embodiments, the layer of crystalline lithium-containing transition metal oxide compound is deposited before the layer of amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound, while in other embodiments the amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound The layer of is deposited before the layer of crystalline lithium-containing transition metal oxide compound.
일부 실시예들에서, 온도 범위는 실질적으로 180℃ 내지 350℃일 수 있다.In some embodiments, the temperature range may be substantially 180 ° C to 350 ° C.
더 작은 온도 범위들은 또한 수용될 수 있어서, 예컨대 제 1 및 제 2 온도들은 실질적으로 150℃ 또는 그 미만, 또는 실질적으로 100℃ 또는 그 미만, 또는 실질적으로 75℃ 또는 그 미만, 또는 실질적으로 50℃ 또는 그 미만, 또는 실질적으로 25℃ 또는 그 미만, 또는 실질적으로 10℃ 또는 그 미만, 또는 실질적으로 5℃ 또는 그 미만의 범위 내에 있을 수 있다. 이들은 효과적으로 준-등온 프로세스를 제공하고, 여기서 2 또는 그 초과의 층들은 유사한 온도들에서 증착될 수 있다. 대안적으로, 프로세스는 등온일 수 있어서, 제 1 온도 및 제 2 온도는 실질적으로 동일하다. 이들 옵션들 중 임의의 옵션은 500℃ 또는 그 초과만큼 상이한 온도들을 요구할 수 있는 비정질 및 결정질 박막들을 제조하기 위한 알려진 기술들에 비해 크게 개선시킨다.Lower temperature ranges may also be accommodated such that the first and second temperatures are substantially 150 ° C. or less, or substantially 100 ° C. or less, or substantially 75 ° C. or less, or substantially 50 ° C. Or less, or substantially in the
예들로서, 제 1 온도는 실질적으로 350℃일 수 있고 제 2 온도는 실질적으로 225℃일 수 있거나, 제 1 온도 및 제 2 온도 둘 다는 실질적으로 225℃일 수 있다.As examples, the first temperature may be substantially 350 ° C. and the second temperature may be substantially 225 ° C., or both the first and second temperatures may be substantially 225 ° C. FIG.
하나 또는 그 초과의 전이 금속들의 소스 또는 소스들은, 결정질 리튬-함유 금속 산화물 화합물이 리튬 망간 산화물이도록 망간 소스를 포함하거나, 또는 결정질 리튬-함유 금속 산화물 화합물이 리튬 망간 니켈 산화물이도록 망간 소스 및 니켈 소스를 포함할 수 있다.The source or sources of one or more transition metals include a manganese source such that the crystalline lithium-containing metal oxide compound is lithium manganese oxide, or the manganese source and nickel source such that the crystalline lithium-containing metal oxide compound is lithium manganese nickel oxide. It may include.
대안적으로, 하나 또는 그 초과의 전이 금속들의 소스 또는 소스들은 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 이트륨, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 데트네튬, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 카드뮴, 루테튬, 하프늄, 탄탈륨, 텅스텐, 레늄, 오스뮴, 이리듐, 팔라듐, 금 및 수은 중 하나 또는 그 초과의 각각의 소스를 포함할 수 있다. 특히 캐소드들 및 애노드들에 적당한 재료들을 증착하기 위한 관심 대상은 코발트, 니켈, 망간, 철, 바나듐, 몰리브덴, 티타늄, 구리 및 아연이다.Alternatively, the source or sources of one or more transition metals may be scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, detnium, ruthenium, rhodium And each source of one or more of palladium, silver, cadmium, lutetium, hafnium, tantalum, tungsten, rhenium, osmium, iridium, palladium, gold and mercury. Of particular interest for depositing materials suitable for cathodes and anodes are cobalt, nickel, manganese, iron, vanadium, molybdenum, titanium, copper and zinc.
기상 소스들은 질소의 소스를 더 포함할 수 있어서, 비정질 화합물은 리튬-함유 산질화물 화합물일 수 있다.The gaseous sources may further comprise a source of nitrogen such that the amorphous compound may be a lithium-containing oxynitride compound.
하나 또는 그 초과의 유리-형성 엘리먼트들의 소스 또는 소스들은, 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물이 리튬 붕규산염이도록 붕소의 소스 및 실리콘의 소스를 포함할 수 있거나, 하나 또는 그 초과의 유리-형성 엘리먼트들의 소스 또는 소스들은 붕소의 소스 및 실리콘의 소스를 포함할 수 있는 반면 기상 소스들은 질소의 소스를 더 포함할 수 있어서, 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물은 질소-도핑 리튬 붕규산염이다.The source or sources of one or more glass-forming elements may comprise a source of boron and a source of silicon such that the amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound is lithium borosilicate, or one or more glass-forming The source or sources of elements may comprise a source of boron and a source of silicon while the gaseous sources may further comprise a source of nitrogen, such that the amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound is nitrogen-doped lithium borosilicate.
다른 실시예들에서, 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물은 리튬 규산염, 산질화물 리튬 규산염, 리튬 붕산염 또는 산질화물 리튬 붕산염일 수 있다. 그러나 다른 리튬-함유 산화물 및 산질화물들은 가능하고, 적당한 기상 소스들은 이에 따라 제공될 수 있다. 예컨대, 하나 또는 그 초과의 유리-형성 엘리먼트들의 소스 또는 소스들은 붕소, 실리콘, 게르마늄, 알루미늄, 비소 및 안티몬 중 하나 또는 그 초과의 소스들을 포함할 수 있다.In other embodiments, the amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound may be lithium silicate, lithium oxynitride lithium silicate, lithium borate or oxynitride lithium borate. However, other lithium-containing oxides and oxynitrides are possible, and suitable gaseous sources may be provided accordingly. For example, the source or sources of one or more glass-forming elements may comprise one or more sources of boron, silicon, germanium, aluminum, arsenic and antimony.
일부 실시예들에서, 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층은 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층상에 증착될 수 있다. 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층은 박막 배터리의 캐소드를 형성하기 위하여 증착될 수 있고 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층은 박막 배터리의 전해질을 형성하기 위하여 증착될 수 있다.In some embodiments, a layer of amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound may be deposited on a layer of crystalline lithium-containing transition metal oxide compound. A layer of crystalline lithium-containing transition metal oxide compound may be deposited to form the cathode of the thin film battery and a layer of amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound may be deposited to form the electrolyte of the thin film battery.
방법은 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층 및/또는 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층상에 하나 또는 그 초과의 추가 층들을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further comprise forming one or more additional layers on the layer of the crystalline lithium-containing transition metal oxide compound and / or the layer of the amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound.
기상 증착 방법은 확장될 수 있어서, 적어도 하나의 추가 층은 각각의 컴포넌트 엘리먼트의 기상 소스들로부터의 추가 층을 위해 의도된 화합물의 컴포넌트 엘리먼트들을 기판상에 동시-증착함으로써 형성되고 여기서 컴포넌트 엘리먼트들은 추가 층을 위해 의도된 화합물의 층을 형성하기 위하여 기판상에서 반응한다. 기판은 제 3 층이 형성될 때 제 3 온도로 가열되고, 제 1 온도, 제 2 온도 및 제 3 온도는 실질적으로 170℃ 또는 그 미만의 온도 범위 내에 있을 수 있다. 제 1 온도, 제 2 온도 및 제 3 온도는 실질적으로 동일할 수 있다.The vapor deposition method can be extended so that at least one additional layer is formed by co-depositing component elements of a compound intended for an additional layer from vapor sources of each component element on the substrate, wherein the component elements are added React on the substrate to form a layer of the compound intended for the layer. The substrate is heated to a third temperature when the third layer is formed, and the first temperature, the second temperature and the third temperature may be substantially in the temperature range of 170 ° C. or less. The first temperature, the second temperature and the third temperature may be substantially the same.
결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층은 박막 배터리의 캐소드를 형성하기 위하여 증착될 수 있고, 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층은 박막 배터리의 전해질을 형성하기 위하여 증착될 수 있고, 하나 또는 그 초과의 추가 층들은 적어도 박막 배터리의 애노드를 포함할 수 있다.A layer of crystalline lithium-containing transition metal oxide compound may be deposited to form a cathode of a thin film battery, and a layer of amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound may be deposited to form an electrolyte of a thin film battery, one Or further layers may comprise at least the anode of the thin film battery.
추가로, 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층은 제 1 박막 배터리의 캐소드를 형성하기 위하여 증착될 수 있고, 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층은 제 1 박막 배터리의 전해질을 형성하기 위하여 증착될 수 있고, 하나 또는 그 초과의 추가 층들은 적어도 제 1 박막 배터리의 애노드 및 배터리 스택을 형성하기 위하여 제 1 박막 배터리 상에 형성된 제 2 박막 배터리의 캐소드, 전해질 및 애노드를 포함할 수 있다.Additionally, a layer of crystalline lithium-containing transition metal oxide compound may be deposited to form the cathode of the first thin film battery, and the layer of amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound may form the electrolyte of the first thin film battery. And one or more additional layers may comprise at least the anode of the first thin film battery and the cathode, electrolyte and anode of a second thin film battery formed on the first thin film battery to form a battery stack. .
본 발명의 제 2 양상은 제 1 양상에 따른 기상 증착 방법을 사용하여 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층으로서 배터리의 캐소드를 증착하고 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층으로서 배터리의 전해질을 증착하는 단계를 포함하는 배터리를 형성하는 방법에 관한 것이다.A second aspect of the present invention uses the vapor deposition method according to the first aspect to deposit a cathode of a battery as a layer of crystalline lithium-containing transition metal oxide compound and to electrolyte of the battery as a layer of amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound. It relates to a method of forming a battery comprising the step of depositing.
본 발명의 제 3 양상은 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물 층 형태의 캐소드 및 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물 층 형태의 전해질을 포함하는 배터리에 관한 것이고, 캐소드 및 전해질은 제 1 양상에 따른 기상 증착 방법을 사용하여 증착된다.A third aspect of the invention relates to a battery comprising a cathode in the form of a crystalline lithium-containing transition metal oxide compound layer and an electrolyte in the form of an amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound layer, wherein the cathode and electrolyte are in accordance with the first aspect. It is deposited using a vapor deposition method.
본 발명의 제 4 양상은 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물 층 형태의 캐소드 및 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물 층 형태의 전해질을 가지는 배터리를 포함하는 전자 디바이스에 관한 것이고, 캐소드 및 전해질은 제 1 양상에 따른 기상 증착 방법을 사용하여 증착된다.A fourth aspect of the present invention is directed to an electronic device comprising a battery having a cathode in the form of a crystalline lithium-containing transition metal oxide compound layer and an electrolyte in the form of an amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound layer, the cathode and electrolyte comprising: Deposition is carried out using a vapor deposition method according to one aspect.
본 발명의 제 5 양상은 제 1 양상에 따른 기상 증착 방법을 사용하여 기판상에 증착된 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물 층 및 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물 층을 포함하는 샘플에 관한 것이다.A fifth aspect of the invention relates to a sample comprising a crystalline lithium-containing transition metal oxide compound layer and an amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound layer deposited on a substrate using a vapor deposition method according to the first aspect. .
본 발명의 제 6 양상은 제 1 박막 셀 및 제 1 박막 셀상에 스택된 적어도 하나의 제 2 박막 셀을 포함하는 배터리 스택에 관한 것이고, 각각의 박막 셀은 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층을 포함하는 캐소드 및 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물 층을 포함하는 전해질을 포함한다. 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물은 리튬 망간 산화물 또는 리튬 망간 니켈 산화물을 포함할 수 있다. 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물은 리튬 붕규산염 또는 질소-도핑 리튬 붕규산염을 포함할 수 있다.A sixth aspect of the present invention relates to a battery stack comprising a first thin film cell and at least one second thin film cell stacked on the first thin film cell, wherein each thin film cell is a layer of a crystalline lithium-containing transition metal oxide compound. And an electrolyte comprising a cathode and an amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound layer. The crystalline lithium-containing transition metal oxide compound may include lithium manganese oxide or lithium manganese nickel oxide. The amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound may comprise lithium borosilicate or nitrogen-doped lithium borosilicate.
본 발명의 더 우수한 이해 및 동일한 것이 효과적으로 수행될 수 있는 방법을 도시하기 위하여 이제 예로써 첨부 도면들에 대해 참조가 이루어진다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 방법을 구현하기에 적당한 예시적 장치의 개략도를 도시한다.
도 2는 종래 기술에 따라 증착된 금속의 샘플들의 라만 스펙트라 및 본 발명의 실시예에 따른 방법을 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 증착된 리튬 붕규산염의 샘플의 X-선 회절 측정을 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 증착된 리튬 붕규산염의 샘플의 임피던스 스펙트럼을 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 증착된 질소-도핑 리튬 붕규산염의 샘플의 X-선 회절 측정을 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 증착된 질소-도핑 리튬 붕규산염의 샘플의 임피던스 스펙트럼을 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따라 증착된 리튬 망간 산화물의 샘플들의 X-선 회절 측정을 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따라 증착된 리튬 망간 니켈 산화물의 샘플들의 X-선 회절 측정들을 도시한다.
도 9는 종래 기술의 방법에 의해 준비된 샘플들의 표면들의 이미지들과 비교될 때 본 발명의 실시예에 따라 증착된 리튬 망간 산화물의 샘플들의 표면의 스캐닝 전자 현미경 이미지들을 도시한다.
도 10은 종래 기술 방법에 의해 준비된 샘플들의 표면들의 이미지들과 비교될 때 본 발명의 실시예에 따라 증착된 리튬 망간 니켈 산화물의 샘플들의 표면의 스캐닝 전자 현미경 이미지들을 도시한다.
도 11은 종래 구조의 예시적 박막 배터리의 개략 단면도를 도시한다.
도 12는 리튬 붕규산염 전해질을 가지며 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 증착된 박막 배터리의 충전/방전 사이클들에 대하여 전압 빔 전류 대 시간의 그래프를 도시한다.
도 13은 동일한 배터리의 방전 용량의 측정치들의 그래프를 도시한다.
도 14는 하프 셀(half cell)에서 리튬 망간 산화물의 샘플들로부터 측정되고 본 발명의 실시예에 따라 증착된 방전 곡선들을 도시한다.
도 15는 다양한 방전 레이트들에서, 하프 셀에서 리튬 망간 산화물의 샘플들로부터 취해지고 본 발명의 실시예에 따라 증착된 용량 측정치들을 도시한다.
도 16은 리튬 망간 산화물 캐소드를 가지며 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 증착된 배터리들로부터 측정된 방전 곡선을 도시한다.
도 17은 리튬 망간 산화물 캐소드를 가지며 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 증착된 하나의 배터리의 50 사이클들에 걸쳐 측정된 방전 용량들의 그래프를 도시한다.
도 18은 리튬 망간 니켈 산화물 캐소드를 가지며 본 발명의 실시예에 따라 증착된 하프 셀로부터 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)의 측정치를 도시한다.
도 19는 도 18에서 특징화된 셀로부터 측정된 방전 곡선을 도시한다.
도 20은 리튬 망간 니켈 산화물 캐소드를 가지며 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 증착된 배터리들로부터 측정된 충전 및 방전 곡선들을 도시한다.
도 21(a) 및 도 21(b)은 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 2개의 셀 스택의 스캐닝 전자 현미경 이미지, 및 이 스택에서 층들의 개략도를 각각 도시한다.
도 22는 도 21의 셀 스택으로부터 측정된 X-선 회절 데이터의 플롯을 도시한다.
도 23은 2개의 셀 스택의 개략 측면도를 도시한다.
도 24는 리튬 망간 니켈 산화물 캐소드를 가지며 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 증착된 배터리들로부터 측정된 충전 및 방전 곡선을 도시한다.Reference is now made to the accompanying drawings by way of example to show a better understanding of the invention and how the same may be effectively performed.
1 shows a schematic diagram of an example apparatus suitable for implementing a method according to embodiments of the present invention.
2 shows a Raman spectra of samples of metal deposited according to the prior art and a method according to an embodiment of the invention.
3 shows X-ray diffraction measurements of a sample of lithium borosilicate deposited according to an embodiment of the invention.
4 shows the impedance spectrum of a sample of lithium borosilicate deposited according to an embodiment of the invention.
5 shows X-ray diffraction measurements of a sample of nitrogen-doped lithium borosilicate deposited according to an embodiment of the present invention.
6 shows the impedance spectrum of a sample of nitrogen-doped lithium borosilicate deposited according to an embodiment of the present invention.
7 shows X-ray diffraction measurements of samples of lithium manganese oxide deposited according to embodiments of the present invention.
8 shows X-ray diffraction measurements of samples of lithium manganese nickel oxide deposited according to embodiments of the present invention.
9 shows scanning electron microscope images of the surface of samples of lithium manganese oxide deposited according to an embodiment of the present invention when compared to images of surfaces of samples prepared by the prior art method.
10 shows scanning electron microscope images of the surface of samples of lithium manganese nickel oxide deposited according to an embodiment of the present invention when compared to images of surfaces of samples prepared by the prior art method.
11 shows a schematic cross-sectional view of an exemplary thin film battery of conventional structure.
12 shows a graph of voltage beam current vs. time for charge / discharge cycles of a thin film battery having a lithium borosilicate electrolyte and deposited by a method according to an embodiment of the invention.
13 shows a graph of measurements of the discharge capacity of the same battery.
FIG. 14 shows discharge curves measured from samples of lithium manganese oxide in a half cell and deposited according to an embodiment of the present invention.
FIG. 15 shows capacitance measurements taken from samples of lithium manganese oxide in a half cell and deposited in accordance with an embodiment of the present invention, at various discharge rates.
16 shows discharge curves measured from batteries having a lithium manganese oxide cathode and deposited by a method according to an embodiment of the invention.
17 shows a graph of discharge capacities measured over 50 cycles of one battery having a lithium manganese oxide cathode and deposited by a method according to an embodiment of the invention.
18 shows measurements of cyclic voltammetry from a half cell deposited with a lithium manganese nickel oxide cathode and deposited according to an embodiment of the invention.
FIG. 19 shows the discharge curve measured from the cell characterized in FIG. 18.
20 shows charge and discharge curves measured from batteries having a lithium manganese nickel oxide cathode and deposited by a method according to an embodiment of the present invention.
21 (a) and 21 (b) show scanning electron microscopy images of two cell stacks prepared in accordance with embodiments of the present invention, and schematic diagrams of the layers in the stack, respectively.
FIG. 22 shows a plot of X-ray diffraction data measured from the cell stack of FIG. 21.
23 shows a schematic side view of two cell stacks.
24 shows charge and discharge curves measured from batteries having a lithium manganese nickel oxide cathode and deposited by a method according to an embodiment of the invention.
본 발명은 기상 증착에 의해 박막 구조의 적어도 2개의 박막 층들을 순차적으로 증착하기 위한 방법을 제공한다. 적어도 2개의 층들은 리튬-함유 화합물들, 하나의 비정질 화합물 및 하나의 결정질 화합물을 포함한다. 각각의 층의 화합물의 각각의 컴포넌트 엘리먼트는 개별 소스로부터 증기로서 제공되고, 제 1 층에 대한 컴포넌트 엘리먼트 증기는 공통 가열된 기판상에 동시-증착된다. 컴포넌트 엘리먼트들은 제 1 층의 화합물을 형성하기 위하여 기판상에서 반응한다. 그 다음 제 2 층에 대한 컴포넌트 엘리먼트 증기들은 가열된 기판상에 동시-증착되고, 여기서 엘리먼트들은 제 2 층의 화합물을 형성하기 위하여 반응한다.The present invention provides a method for sequentially depositing at least two thin film layers of a thin film structure by vapor deposition. At least two layers comprise lithium-containing compounds, one amorphous compound and one crystalline compound. Each component element of the compound of each layer is provided as a vapor from a separate source and the component element vapor for the first layer is co-deposited on a common heated substrate. The component elements react on the substrate to form the compound of the first layer. The component element vapors for the second layer are then co-deposited on the heated substrate, where the elements react to form the compound of the second layer.
층들 중 하나는 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물을 포함한다. 다른 층은 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물을 포함한다.One of the layers includes a crystalline lithium-containing transition metal oxide compound. The other layer comprises an amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound.
본 개시의 맥락에서, 용어 "엘리먼트"는 "주기율표의 엘리먼트"를 의미한다. 그러므로 본 발명에 따라 형성된 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물들은 리튬(Li), 산소(O), 및 하나 또는 그 초과의 전이 금속들을 포함하는 컴포넌트 엘리먼트들을 포함한다. 다른 컴포넌트 엘리먼트들은 형성되는 특정 결정질 화합물에 따를 것이다. 본 발명에 따라 형성된 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물들은 산화물 화합물들의 경우에 리튬(Li) 및 산소(O), 산질화물 화합물들의 경우에 산소(O) 및 질소(N)를 포함하는 컴포넌트 엘리먼트들을 포함한다. 부가적으로, 컴포넌트 엘리먼트들 중 하나 또는 그 초과의 유리-형성 엘리먼트들을 포함한다.In the context of the present disclosure, the term "element" means "element of the periodic table". Thus crystalline lithium-containing transition metal oxide compounds formed in accordance with the present invention comprise component elements comprising lithium (Li), oxygen (O), and one or more transition metals. Other component elements will depend on the particular crystalline compound formed. Amorphous lithium-containing oxides or oxynitride compounds formed in accordance with the invention comprise component elements comprising lithium (Li) and oxygen (O) in the case of oxide compounds, oxygen (O) and nitrogen (N) in the case of oxynitride compounds. Include them. In addition, it comprises one or more glass-forming elements of the component elements.
다른 컴포넌트 엘리먼트들은 형성되는 특정 비정질 화합물에 따를 것이다. 모든 경우들에서, 결정질 및 비정질 화합물들 둘 다에 대해, 화합물의 각각의 엘리먼트는 증기(만약 적당하면 혼합된 증기 또는 플라즈마로 결합됨) 형태로 개별적으로 제공되고, 제 1 층에 대한 각각의 증기는 공통 기판상에 증착되고, 그 다음 동일한 기판상에 제 2 층에 대한 각각의 증기의 증착이 뒤따른다.Other component elements will depend on the particular amorphous compound formed. In all cases, for both crystalline and amorphous compounds, each element of the compound is provided separately in the form of a vapor (if appropriately combined in a mixed vapor or plasma) and each vapor for the first layer Is deposited on a common substrate, followed by the deposition of each vapor for the second layer on the same substrate.
또한 본 개시의 맥락에서, 용어 "리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물"은 "리튬, 산소, 하나 도는 그 초과의 전이 금속들, 및 아마도 하나 또는 그 초과의 다른 엘리먼트들을 포함하는 화합물"을 의미한다. 용어 "리튬-함유 산화물 화합물"은 "리튬, 산소 및 하나 또는 그 초과의 다른 엘리먼트들을 포함하는 화합물"을 의미하고, 용어 "리튬-함유 산질화물 화합물"은 "리튬, 산소, 질소 및 하나 또는 그 초과의 다른 엘리먼트들을 포함하는 화합물"을 의미한다. "화합물"은 "화학 반응에 의해 고정된 비율들로 2 또는 그 초과의 엘리먼트들의 결합에 의해 형성된 물질 또는 재료"이다.Also in the context of the present disclosure, the term “lithium-containing transition metal oxide compound” means “a compound comprising lithium, oxygen, one or more transition metals, and possibly one or more other elements”. The term "lithium-containing oxide compound" means "a compound comprising lithium, oxygen and one or more other elements", and the term "lithium-containing oxynitride compound" means "lithium, oxygen, nitrogen and one or more thereof." Compound comprising more than the other elements ". A "compound" is a "material or material formed by the combination of two or more elements in fixed proportions by a chemical reaction".
본 개시의 맥락에서, 용어 "결정질"은 "결정들의 원자들, 이온들 또는 분자들 특성의 규칙적 내부 배열들을 가진, 즉 그 격자 내에 장거리 질서를 가진 고체"를 의미한다. 본 발명의 방법들에 따라, 화합물이 증착되는 컴포넌트 엘리먼트들 중 하나 또는 그 초과가 전이 금속 엘리먼트일 때 원하는 화합물이 중간 온도들(하기 추가로 설명됨) 결정질 형태로 증착될 수 있다는 것이 발견되었다. 본 개시의 맥락에서, "전이 금속"은 "주기율표상의 그룹들 3 내지 12인 주기율표의 d-블록의 임의의 엘리먼트, 플러스 f-블록 란탄족 원소 및 악티늄족 원소 시리즈(또한 "내부 전이 금속들"로서 알려짐)의 임의의 엘리먼트를 의미한다". 원자 번호 72 및 그 미만의 전이 금속들은, 그들의 더 작은 사이즈 및 무게로 인해 특정 관심 대상이고; 이들은 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 이트륨, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 데트네튬, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 카드뮴, 루테튬 및 하프늄, 특히 전극들로서 의도된 재료들에 사용하기 위한 코발트, 니켈, 망간, 철, 바나듐, 몰리브덴, 티타늄, 구리 및 아연이다. 그러나, 더 무거운 전이 금속들 이를테면 탄탈륨, 텅스텐, 레늄, 오스뮴, 이리듐, 백금, 금, 수은, 및 그 초과는 가능하게 된다.In the context of the present disclosure, the term "crystalline" means "a solid with regular internal arrangements of the properties of atoms, ions or molecules of crystals, ie with long range order within its lattice". In accordance with the methods of the present invention, it has been found that the desired compound may be deposited in intermediate temperatures (described further below) in crystalline form when one or more of the component elements on which the compound is deposited is a transition metal element. In the context of the present disclosure, "transition metal" means any element of the d-block of the periodic table that is
추가로 본 개시의 맥락에서, 용어 "비정질"은 "결정질이 아닌 고체", 즉 그의 격자에 장거리 질서를 가지지 않는 고체를 의미한다. 본 발명의 방법들에 따라, 화합물이 증착되는 컴포넌트 엘리먼트들 중 하나 또는 그 초과의 유리 형성 엘리먼트이면 원하는 화합물이 본 발명의 기판 온도들에서 비정질 형태로 증착될 수 있다는 것이 발견되었다. 유리-형성 엘리먼트들의 예들은 붕소(B), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 알루미늄(Al), 비소(As) 및 안티몬(Sb)(Varshneya, A. K.,Fundamentals of Inorganic Glasses, Academic Press, page 33)을 포함한다.Further in the context of the present disclosure, the term "amorphous" means "non-crystalline solid", ie a solid that does not have long-range order in its lattice. In accordance with the methods of the present invention, it has been found that the desired compound may be deposited in amorphous form at the substrate temperatures of the present invention if the compound is one or more of the glass forming elements to which it is deposited. Examples of glass-forming elements include boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), aluminum (Al), arsenic (As) and antimony (Sb) (Varshneya, AK, Fundamentals of Inorganic Glasses, Academic Press, page 33).
도 1은 본 발명의 실시예 방법을 구현하기에 적당한 예시적 장치(10)의 개략도를 도시한다. 증착은 초고도 진공 시스템일 수 있는 진공 시스템(12) 내에서 수행된다. 원하는 재료(증착된 박막 층들의 의도된 목적에 따라)의 기판(14)은 진공 시스템(12) 내에서 장착되고, 가열기(16)를 사용하여 실온을 초과하여 가열된다. 온도는 하기에서 추가로 논의된다. 또한 진공 시스템 내에는 복수의 증기 소스들이 있고, 원하는 박막 화합물들의 각각에서 컴포넌트 엘리먼트들의 각각에 대해 하나의 소스가 있다. 제 1 기상 소스(20)는 산소 플라즈마 소스 같은 원자 산소의 소스를 포함한다. 제 2 기상 소스(22)는 리튬 증기의 소스를 포함한다. 이들은 결정질 및 비정질 화합물들 둘 다에 사용된다. 리튬-함유 산화물 또는 산질화물에 대해, 제 3 기상 소스(24)는 유리-형성 엘리먼트의 기상 소스를 포함하는 반면, 제 4 기상 소스(26)는 원하는 화합물의 임의의 추가 컴포넌트 엘리먼트의 소스를 포함한다.1 shows a schematic diagram of an
리튬-함유 전이 금속 산화물에 대해, 제 5 기상 소스(28)는 전이 금속 엘리먼트의 기상 소스를 포함한다. 제 6 기상 소스(30)는 원하는 전이 금속 산화물 화합물의 컴포넌트 엘리먼트들에 따라, 추가 전이 금속 엘리먼트의 소스를 포함할 수 있다. 그 다음, 어느 하나의 층에 대해, 임의의 수의 다른 기상 소스들(팬텀(phantom)으로 도시된 32, 34 및 36 같은)는 관심 있는 화합물 재료들에 포함되는 엘리먼트들의 수에 따라 선택적으로 포함될 수 있다. 예컨대, 비정질 화합물은 산질화물 화합물이고, 기상 소스들 중 하나는 질소 소스일 수 있다. 대안적으로, 산소가 플라즈마 소스로부터 제공되는 경우에, 질소는 혼합된 질소-산소 플라즈마를 생성하기 위하여 플라즈마 소스를 통해 도입될 수 있다.For lithium-containing transition metal oxides, the fifth
각각의 기상 소스의 성질은 그가 전달하는 엘리먼트, 및 또한 전달 레이트에 걸쳐 요구된 제어 양, 또는 플럭스에 따를 것이다. 소스는 예컨대, 특히 산소 기상 소스의 경우에 플라즈마 소스일 수 있다. 플라즈마 소스는 플라즈마-위상 산소, 즉 산소 원자들, 라디칼(radical)들 및 이온들의 플럭스를 전달한다. 소스는 예컨대 라디오 주파수(RF) 플라즈마 소스일 수 있다. 원자 산소는 높은 산화 상태들의 엘리먼트들을 포함하는 화합물들을 증착할 때 유리하다. 산소는 대안적으로 오존 소스를 사용하여 제공될 수 있다. 플라즈마 소스 이를테면 RF 플라즈마 소스는, 산질화물 화합물이 형성되거나 전이 금속 산화물이 질소를 포함하는 경우, 질소 컴포넌트 증기를 전달하기 위하여 또한 사용될 수 있다.The nature of each gaseous source will depend on the element it delivers and also the amount of control, or flux, required over the delivery rate. The source may for example be a plasma source, in particular in the case of an oxygen gaseous source. The plasma source delivers plasma-phase oxygen, ie a flux of oxygen atoms, radicals and ions. The source may be, for example, a radio frequency (RF) plasma source. Atomic oxygen is advantageous when depositing compounds containing elements in high oxidation states. Oxygen may alternatively be provided using an ozone source. Plasma sources, such as RF plasma sources, may also be used to deliver nitrogen component vapors when oxynitride compounds are formed or the transition metal oxide comprises nitrogen.
전자 빔 증발기들 및 크누센(Knudsen) 셀들(K-셀들)은 기상 소스들의 다른 예들이고; 이들은 낮은 부분 압력들을 가진 재료들에 매우 적당하다. 양쪽 경우들에서 재료는 도가니(crucible)에 유지되고 재료의 플럭스를 생성하기 위하여 가열된다. 크누센 셀은 도가니 둘레에 일련의 가열 필라멘트들을 사용하는 반면, 전자 빔 증발기에서 가열은 높은 에너지 전자들의 빔을 재료에 지향하기 위한 자석들을 사용함으로써 달성된다.Electron beam evaporators and Knudsen cells (K-cells) are other examples of vapor sources; They are very suitable for materials with low partial pressures. In both cases the material is held in a crucible and heated to produce a flux of material. Knudsen cells use a series of heating filaments around the crucible, while heating in an electron beam evaporator is accomplished by using magnets to direct the beam of high energy electrons to the material.
다른 예시적 기상 소스들은 분출 셀(effusion cell) 및 크랙킹 소스들이다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 임의의 크랙킹을 위한 필요를 제거하고, 이에 의해 그런 소스들의 사용에 내재하는 복잡성을 회피한다. 추가로 대안적인 기상 소스들은 당업자들에게 명백할 것이다.Other example vapor sources are effusion cells and cracking sources. However, embodiments of the present invention eliminate the need for any cracking, thereby avoiding the complexity inherent in the use of such sources. Further alternative vapor sources will be apparent to those skilled in the art.
증착 프로세스 동안, 처음에 제 1 박막 층(38)이 증착된다. 층들이 박막 셀의 일부이면, 제 1 층(38)은 셀의 캐소드로서 의도된 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물의 층일 수 있다. 이를 달성하기 위하여, 리튬-함유 전이 금속 산화물에서 각각의 컴포넌트 엘리먼트의 제어된 플럭스는 그 개별 기상 소스(20, 22, 28 및 아마도 30-36)로부터 가열된 기판(14)으로 방출되고, 따라서 다양한 엘리먼트들이 동시-증착된다. 엘리먼트들은 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물의 박막 층(38)을 형성하기 위하여 기판(14) 상에서 반응한다.During the deposition process, first
그 다음, 제 2 박막 층(40)이 증착된다. 배터리의 예에서, 제 2 층은 셀의 전해질로서 의도된 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물의 층일 수 있다. 이를 달성하기 위하여, 기판(14)은 제 1 층(38)을 증착하기 위하여 사용된 것과 동일하거나 유사한 온도(하기 추가로 논의됨)로 가열되고, 리튬-함유 산화물 또는 산질화물에서 각각의 컴포넌트 엘리먼트의 제어된 플럭스는 그 개별 기상 소스(20, 22, 24 및 아마도 26 및/또는 32-36)로부터 가열된 기판(14)으로 방출되고 따라서 다양한 엘리먼트들이 동시-증착된다. 엘리먼트들은 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물의 박막 층(38)의 상단 상에 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물의 박막 층(40)을 형성하기 위하여 기판상에서 반응한다.The second
일부 실시예들에 따라, 제 1 및 제 2 층들은 다른 구성들 및 순서들로 증착될 수 있고, 처음에 예컨대 비정질 재료 다음 두 번째 결정질 재료가 증착될 수 있다. 층들은 다른 것의 상부에 또는 나란히 있을 수 있다. 게다가, 다른 박막 층들은 원해지면 부가될 수 있다. 배터리의 경우에, 애노드 층은 상기 설명된 것과 같은 전해질 층상에 증착될 수 있다. 상기 설명된 방법은, 요구된 엘리먼트들의 적당한 기상 소스들이 진공 시스템(12) 내에 포함되면, 적소에 층 또는 층들을 증착하기 위하여 사용될 수 있다. 대안적으로, 이전에 알려진 증착 기술들이 이용될 수 있다. 또한, 이전에 증착된 층들은, 설명된 결정질 및 비정질 층들이 기상 소스들로부터 증착되기 전에 기판(14) 상에 이미 존재할 수 있다.According to some embodiments, the first and second layers may be deposited in other configurations and orders, and a second crystalline material may be deposited first, such as after an amorphous material. The layers may be on top of one another or side by side. In addition, other thin film layers can be added if desired. In the case of a battery, the anode layer can be deposited on an electrolyte layer as described above. The method described above may be used to deposit a layer or layers in place once the appropriate vapor sources of the required elements are included in the
박막 구조의 원하는 구성에 따라, 증착되는 동안 각각의 층을 정의하기 위하여 하나 또는 그 초과의 마스크들을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 처리의 편리성을 위하여, 제 1 층을 위해 사용된 마스크가 제 2 층을 위하여 필요한 마스크를 위하여 교환될 수 있도록 제 1 층을 증착 후 기판이 냉각되는 것이 허용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 마스크들이 변경되는 동안 증착 온도에서 또는 증착 온도 범위 내에서 기판을 유지하는 것이 바람직할 수 있고; 이는 더 빠르고 더 효율적일 수 있다.Depending on the desired configuration of the thin film structure, it may be desirable to use one or more masks to define each layer during deposition. For convenience of processing, the substrate may be allowed to cool after depositing the first layer so that the mask used for the first layer may be exchanged for the mask needed for the second layer. In other embodiments, it may be desirable to maintain the substrate at or within the deposition temperature range while the masks are being changed; This can be faster and more efficient.
본 발명에 따라, 2개의 층들의 화합물들을 형성하기 위하여 컴포넌트 엘리먼트들의 반응은 기판상에 증착하기 전에 증기 위상에서보다 오히려 기판의 표면(또는 이전 층의 표면) 상에서 발생한다. 이론에 의해 한정되기를 원하지 않지만, 증기 내 각각의 컴포넌트 엘리먼트가 가열된 기판의 표면에 충돌하고 고착하는 것이 믿어지고, 여기서 그 다음 각각의 엘리먼트의 원자들은 표면상에서 이동 가능하고 따라서 산화물 또는 산질화물 화합물을 형성하기 위하여 서로 반응할 수 있다.According to the invention, the reaction of the component elements to form the compounds of the two layers takes place on the surface of the substrate (or the surface of the previous layer) rather than in the vapor phase before depositing on the substrate. While not wishing to be bound by theory, it is believed that each component element in the vapor impinges and adheres to the surface of the heated substrate, where the atoms of each element are then mobile on the surface and thus form an oxide or oxynitride compound. Can react with each other to form.
진공에서 프로세스를 수행하는 것은, 그들 개별 소스들로부터 진공에서 이동하는 증기 위상 입자들의 평균 자유 경로(다른 입자와 충돌하기 전에 이동된 거리를 의미함)가, 기판상에 증착 전에 입자들 사이의 충돌 기회가 최소화되도록 하는 길이인 것을 보장한다. 그러므로, 유리하게, 소스들로부터 기판으로의 거리는 입자들이 충돌 없이 기판에 도달하는 기회를 증가시키기 위하여 평균 자유 경로보다 작도록 배열되고, 이에 의해 증기 위상 상호작용들이 회피된다. 따라서 컴포넌트 엘리먼트들의 반응은 가열된 기판 표면으로 제한되고 박막 화합물 재료의 품질은 개선된다.Performing the process in vacuum means that the average free path of vapor phase particles moving in vacuum from their respective sources (meaning the distance traveled before colliding with other particles) impinges between the particles before deposition on the substrate. Ensure that this is the way to minimize opportunities. Therefore, the distance from the sources to the substrate is advantageously arranged to be smaller than the average free path in order to increase the chance of particles reaching the substrate without colliding, whereby vapor phase interactions are avoided. The reaction of the component elements is therefore limited to the heated substrate surface and the quality of the thin film compound material is improved.
본 발명의 장점은, 엘리먼트들로부터 직접 각각의 화합물의 구성 성분들의 증착이 컴포넌트 엘리먼트들의 증착 레이트들을 통해 화합물 컴포지션의 직접 제어를 허용하는 것이다. 각각의 엘리먼트의 플럭스는, 증착된 화합물의 화학 컴포지션이 원해지면 정확한 요건들에 따라 맞추어질 수 있도록 그 개별 기상 소스의 적당한 동작에 의해 독립적으로 제어될 수 있다. 그러므로 증착된 화합물의 화학양론의 직접 제어는 각각의 컴포넌트 엘리먼트의 플러스, 및 따라서 결과적으로 증착 레이트를 제어함으로써 가능하다. 스퍼터링 및 펄스 레이저 증착 같은 종래의 증착 기술들은 더 가벼운 엘리먼트들의 우선 손실로부터 고통받을 수 있어서 최종 화합물의 엘리먼트들의 비율의 제어가 더 어렵다.An advantage of the present invention is that the deposition of the constituents of each compound directly from the elements allows for direct control of the compound composition through the deposition rates of the component elements. The flux of each element can be independently controlled by the proper operation of its respective vapor source so that the chemical composition of the deposited compound can be tailored to the exact requirements as desired. Therefore, direct control of the stoichiometry of the deposited compound is possible by controlling the plus, and consequently the deposition rate of each component element. Conventional deposition techniques, such as sputtering and pulsed laser deposition, can suffer from preferential loss of lighter elements, making it more difficult to control the ratio of elements of the final compound.
또한, 컴포넌트 엘리먼트들로부터 직접 증착은 타겟들 또는 전구체(precursor)들을 스퍼터링할 필요를 제거하고, 부가적인 엘리먼트들은 새로운 증착 타겟들을 준비하기 위한 요건 없이 직접 통합될 수 있다. 게다가, 손상되지 않은 표면들을 가진 부드럽고 밀집된 막들의 증착이 가능하다. 상기 예시된 것들 같은 기상 소스들은 스퍼터링에 의해 생성된 것들보다 낮은 에너지 입자들을 생성하고; 이런 더 낮은 에너지는 클러스터 형성을 방지하고 또한 펄스 레이저 증착에 문제인 증착된 박막의 표면 거칠기를 감소시킨다.In addition, direct deposition from component elements eliminates the need for sputtering targets or precursors, and additional elements can be integrated directly without the requirement to prepare new deposition targets. In addition, deposition of smooth, dense films with undamaged surfaces is possible. Vapor sources such as those exemplified above produce lower energy particles than those produced by sputtering; This lower energy prevents cluster formation and also reduces the surface roughness of the deposited thin film, which is a problem for pulsed laser deposition.
중요하게, 본 발명은 결정질 리튬-부유 전이 금속 산화물들의 직접 증착을 허용한다. 결정질 특징은 화합물들이 박막 배터리들에서 전극들, 특히 캐소드들로서 사용하기에 적당하게 한다. 규모가 크고 박막 샘플들을 위한 종래의 합성 조건들하에서, 포스트-증착 어닐링 단계는 통상적으로 재료를 결정화하기 위하여 필요하고, 양쪽은 프로세스를 복잡하게 하고 비정질을 유지하기 위하여 필요한 임의의 이미-증착된 재료와 호환 가능하지 않다. 따라서 본 발명은 리튬-기반 박막 캐소드들을 만들기 위한 기술을 제공하는데 이익이다. 따라서, 본 발명은 추가로 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물들과 동일한 조건들하에서 비정질 리튬-부유 화합물들의 형성을 허용한다. 비정질 성질은 화합물들이 박막 배터리들의 전해질들로서 사용하기에 적당하게 한다. 양쪽 규모가 크고 박막 샘플들에 대한 종래의 합성 조건들하에서, 이들 화합물들은 전해질들로서 그들의 성능을 손상시키는 결정질로 알려져 있다. 따라서 본 발명은 리튬-기반 박막 전해질들을 형성하기 위한 기술을 제공하는데 유리하다. 동일한 조건들하에서 그리고 동일한 엘리먼트 소스들의 일부로부터 양쪽 결정질 캐소드 재료들 및 비정질 전해질 재료들의 형성은 배터리들 같은 층진 박막 구조들의 제조를 간략화하고 개선하기 위한 매우 매력적인 기술을 제공한다. 2개의 층들은 이들 컴포넌트들에 대해 필요한 부가적인 프로세스 단계들 없이 동일한 장치 내에서 순차적으로 증착될 수 있다.Importantly, the present invention allows for direct deposition of crystalline lithium-rich transition metal oxides. The crystalline feature makes the compounds suitable for use as electrodes, in particular cathodes, in thin film batteries. Under conventional synthesis conditions for large scale thin film samples, a post-deposition annealing step is typically required to crystallize the material, both of which are already pre-deposited materials needed to complicate the process and maintain amorphous Not compatible with The present invention is therefore advantageous to provide a technique for making lithium-based thin film cathodes. Thus, the present invention further allows the formation of amorphous lithium-rich compounds under the same conditions as crystalline lithium-containing transition metal oxides. The amorphous nature makes the compounds suitable for use as electrolytes in thin film batteries. Under both large scale and conventional synthetic conditions for thin film samples, these compounds are known to be crystalline which impair their performance as electrolytes. The present invention is therefore advantageous to provide a technique for forming lithium-based thin film electrolytes. The formation of both crystalline cathode materials and amorphous electrolyte materials under the same conditions and from some of the same element sources provides a very attractive technique for simplifying and improving the fabrication of layered thin film structures such as batteries. The two layers can be deposited sequentially in the same device without the additional process steps required for these components.
본 발명의 중요한 피처는 기판의 가열, 및 2개의 상이한 층들(결정질 및 비정질)이 동일하거나 유사한 기판 온도에서 교대로 직접 증착될 수 있다는 사실이다. 이것이 층들을 증착하기 위한 프로세스를 단순화할 뿐 아니라, 자신의 비정질 특성을 유지하기 위하여 전해질 재료의 가열을 회피하면서 결정질을 생성하기 위하여 캐소드 재료를 어닐링할 필요가 없기 때문에 가열에 관련된 문제들도 제거될 수 있다.An important feature of the invention is the heating of the substrate and the fact that two different layers (crystalline and amorphous) can be deposited directly alternately at the same or similar substrate temperature. This not only simplifies the process for depositing the layers, but also eliminates the problems associated with heating because it does not need to anneal the cathode material to produce crystalline while avoiding heating of the electrolyte material to maintain its amorphous properties. Can be.
실온에서 기판상에 구성 엘리먼트들의 직접 증착에 의해 비정질 인-함유 박막 재료들의 합성을 도시하는 본 발명자들에 의해 이전 작업(WO 2013/011326, WO 2013/011327)은, 상기 기술이 다른 재료들, 예컨대 리튬-부유 유리들에 가능할 수 있다는 것을 제안하였다. 관심 있는 후보는, 비정질 형태일 때 전해질로서 그의 안정성으로 인해 리튬 붕규산염이었다. 그러나, 리튬 붕규산염의 컴포넌트 엘리먼트들에 인산염들에 대해 알려진 방법의 사용은 원하는 박막을 생성하지 못한다. WO 2013/011326 및 WO 2013/011327에 설명된 조건들하에서, 컴포넌트 엘리먼트들은 예상된 방식으로 기판상에서 반응하지 않고 요구된 화합물이 생성되지 않는다. 만족스럽지 않은 해결책은 원자 산소를 분자 산소로 대체함으로써 발견되었고; 비록 이것이 실온에서 원하는 비정질 리튬 붕규산염을 생성하지만, 비정질 재료는 다른 배터리 제조 및 프로세싱 단계들에서 사용된 더 높은 온도들에서 결정화할 것이거나, 또는 배터리가 높은 온도에서 사용되면 결정화할 것이다. 또한 추후 온도 사이클링 동안 증착된 막의 크랙킹 위험이 있다. 분자 산소의 존재에서 상승된 온도에서 증착된 샘플들은 요구된 위상을 형성하지 못한다. 또한, 캐소드들로서 의도된 재료들은 단지 비정질 재료들로서 생성되었고, 350℃ 내지 750℃ 범위의 온도들에서 별개의 어닐링 단계는 결정질 캐소드 재료들을 생성하기 위하여 요구되었다.Previous work by the inventors (WO 2013/011326, WO 2013/011327) illustrating the synthesis of amorphous phosphor-containing thin film materials by direct deposition of constituent elements on a substrate at room temperature, the technique differs from other materials, It has been suggested that this may be possible for example for lithium-rich glasses. Candidates of interest were lithium borosilicates because of their stability as electrolyte when in amorphous form. However, the use of known methods for phosphates in the component elements of lithium borosilicates does not produce the desired thin film. Under the conditions described in WO 2013/011326 and WO 2013/011327, the component elements do not react on the substrate in the expected manner and the required compound is not produced. Unsatisfactory solutions have been found by replacing atomic oxygen with molecular oxygen; Although this produces the desired amorphous lithium borosilicate at room temperature, the amorphous material will crystallize at the higher temperatures used in other battery manufacturing and processing steps, or crystallize if the battery is used at high temperatures. There is also a risk of cracking the deposited film during later temperature cycling. Samples deposited at elevated temperatures in the presence of molecular oxygen do not form the required phase. In addition, the materials intended as cathodes were produced only as amorphous materials and a separate annealing step at temperatures in the range of 350 ° C. to 750 ° C. was required to produce crystalline cathode materials.
높은 온도들에서 비정질로부터 결정질로의 상태 변화는 잘 알려져 있고, 비정질 재료들을 가열함으로써 결정질 재료들을 만들기 위한 어닐링 프로세스에서 의도적으로 이용된다. 따라서, 통상적으로 높은 온도들이, 재료가 비정질 특성을 유지하기 위하여 필요한 환경들에서 회피되어야 하는 것이 이해된다.The change of state from amorphous to crystalline at high temperatures is well known and intentionally used in an annealing process for making crystalline materials by heating the amorphous materials. Thus, it is typically understood that high temperatures should be avoided in environments where the material is required to maintain amorphous properties.
결과적으로, 비정질 리튬-함유 산화물들 및 산질화물들의 샘플들이 증기 위상 컴포넌트 엘리먼트들을 직접 가열된 기판상에 증착함으로써 성공적으로 제조될 수 있다는 것은 놀랍고 예상되지 않은 결과이다. 가열로 인해 증착된 화합물이 적어도 부분적으로 결정질이 되는 것이 예상될 것이지만, 본 발명에 따라, 이는 그 경우가 아니다. 컴포넌트 엘리먼트들 중 하나 또는 그 초과가 유리-형성 엘리먼트일 때 약 180℃ 또는 그 초과로 기판의 가열은 화합물을 형성하기 위하여 기판 표면상에서 컴포넌트 엘리먼트들이 성공적으로 반응하기 위해 필요한 조건들을 생성하는 것이 발견되었지만, 화합물을 결정질로 유발하지 않는다. 유용한 특성들을 가진 안정되고, 우수한 품질 비정질 화합물들이 형성된다.As a result, it is surprising and unexpected that samples of amorphous lithium-containing oxides and oxynitrides can be successfully produced by depositing vapor phase component elements directly on a heated substrate. It will be expected that the deposited compound becomes at least partially crystalline due to heating, but according to the invention this is not the case. Although heating of the substrate to about 180 ° C. or more when one or more of the component elements is a glass-forming element has been found to create the conditions necessary for the component elements to react successfully on the substrate surface to form a compound. , Does not cause compound to be crystalline. Stable, good quality amorphous compounds with useful properties are formed.
결정질 재료들이 요구되고 어닐링이 종래 기술들에 따라 비정질 재료들에 적용될 때, 매우 높은 온도들이 통상적으로 사용되고, 부가적인 별개의 단계는 결정질 재료의 제조에 복잡성을 부가한다. 대안으로서, 결정화는 때때로 증착 동안 기판을 가열함으로써 직면될 수 있지만, 다시 매우 높은 온도들이 이용된다. 예컨대, 결정질 (LMNO) 박막들은 550℃와 750℃ 사이의 기판 온도들에서 PLD를 사용하여 증착되었지만, 동일한 온도에서 1시간 동안 추후 어닐링이 여전히 요구되었다(Wang et al. Electrochimica Acta 102 (2013) 416-422).When crystalline materials are required and annealing is applied to amorphous materials in accordance with the prior arts, very high temperatures are typically used and an additional distinct step adds complexity to the preparation of the crystalline material. As an alternative, crystallization can sometimes be encountered by heating the substrate during deposition, but again very high temperatures are used. For example, crystalline (LMNO) thin films were deposited using PLD at substrate temperatures between 550 ° C. and 750 ° C., but annealing was still required for one hour at the same temperature (Wang et al. Electrochimica Acta 102 (2013) 416-422). .
그러므로, 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물들의 샘플들이 증기 위상 컴포넌트 엘리먼트들을 중간으로 가열된 기판상에 직접 증착함으로써 성공적으로 제조될 수 있다는 것은 추가로 놀랍다. 이 맥락에서 "중간"은 약 150℃와 350℃ 사이의 온도 범위로서 정의된다. 이들 온도들은 어닐링에 의해 충분한 품질의 결정화를 생성하기 위하여 종래에 사용된 온도들보다 훨씬 낮고, 또한 다른 기술들에 의한 증착 동안 결정화를 조장하기 위하여 사용되었던 지금까지 보고된 기판 온도들보다 훨씬 작다. 리튬, 산소 및 하나 또는 그 초과의 전이 금속들을 포함하는 컴포넌트 엘리먼트들을 제공하고 기판을 약 150℃와 350℃ 사이로 가열하는 것은 컴포넌트 엘리먼트들이 결정질 형태로 직접적으로 화합물을 형성하기 위하여 기판 표면상에서 성공적으로 반응하기 위해 필요한 조건들을 생성하는 것으로 발견되었다. 유용한 특성들을 가진 안정되고, 우수한 품질 결정질 화합물들이 형성된다.Therefore, it is further surprising that samples of crystalline lithium-containing transition metal oxides can be successfully produced by depositing vapor phase component elements directly on an intermediately heated substrate. "Medium" in this context is defined as the temperature range between about 150 ° C and 350 ° C. These temperatures are much lower than those conventionally used to produce sufficient quality crystallization by annealing, and are also much smaller than the substrate temperatures reported so far used to promote crystallization during deposition by other techniques. Providing component elements comprising lithium, oxygen and one or more transition metals and heating the substrate between about 150 ° C. and 350 ° C. successfully reacts on the substrate surface to form the component elements directly in crystalline form. It was found to create the conditions needed to do so. Stable, good quality crystalline compounds with useful properties are formed.
따라서, 우리는 2개의 예상되지 않은 결과들을 가진다: 예상된 온도들보다 높은 온도들에서 비정질 재료들의 생성, 및 예상된 온도들보다 낮은 온도들에서 결정질 재료들의 생성. 이들 결과들이 당연히 중요하지만, 특정 이익은, 2개의 재료들에 대한 온도 범위들이 동일하고 오버랩하는 것이다. 따라서, 양쪽 층진 박막 구조들 및 비정질 재료들 상에 해로운 효과를 가지는 높은 온도들을 회피하면서, 동일한 제조 절차 동안 동일한 장치를 사용하여 결정질 재료의 층 및 비정질 재료의 층을 동일한 기판상에 직접 증착하는 매력적인 어레인지먼트가 이용 가능하게 된다.Thus, we have two unexpected results: production of amorphous materials at temperatures above expected temperatures, and production of crystalline materials at temperatures lower than expected temperatures. While these results are of course important, a particular benefit is that the temperature ranges for the two materials are the same and overlap. Thus, it is attractive to deposit a layer of crystalline material and a layer of amorphous material directly on the same substrate using the same apparatus during the same fabrication procedure, while avoiding the high temperatures that have a detrimental effect on both layered thin film structures and amorphous materials. The arrangement becomes available.
실험 결과들Experimental results
우리는 컴포넌트 엘리먼트들의 기상 소스들로부터 가열된 기판상에 직접 증착의 설명된 방법을 사용하여 결정질 및 비정질 재료들의 성공적인 제조를 보여주는 다양한 실험 결과들이 이제 제시할 것이다. 다양한 재료들 단독의 예들은, 캐소드들 및 전해질들로서 성공적인 사용을 위하여 원해진 특성들이 달성될 수 있다는 것을 도시하기 위하여, 성공적인 배터리 동작을 도시하는 측정치들이 얻어지는 배터리 구조들에 증착된 재료들의 층들의 예들이 제공된다.We will now present various experimental results showing the successful manufacture of crystalline and amorphous materials using the described method of direct deposition on a heated substrate from vapor sources of component elements. Examples of various materials alone are examples of layers of materials deposited on battery structures from which measurements showing successful battery operation are obtained to show that desired properties can be achieved for successful use as cathodes and electrolytes. Are provided.
비정질 재료들Amorphous materials
리튬 lithium 붕규산염Borosilicate
비정질 형태로 우수한 전해질 재료를 제공하는 예시적 리튬-함유 산화물 화합물로서 리튬 붕규산염()을 고려하자. 본 발명의 실시예들에 따라, 이 재료는 컴포넌트 엘리먼트들, 리튬, 산소 및 2개의 유리-형성 엘리먼트들, 붕소 및 실리콘으로 형성된다. 리튬 붕규산염의 몇몇 샘플들은 상기 설명된 실시예들과 비슷한 이들 컴포넌트들 엘리먼트들의 기상 증착을 사용하여 다양한 기판 온도들에서 제조되고, 이들의 구조 및 특성들을 결정하기 위하여 라만 분광학을 사용하여 특성화된다. 증착들은 문헌(Guerin, S. and Hayden, B. E., Journal of Combinatorial Chemistry 8, 2006, pages 66-73)에서 이전에 설명되었던 물리적 기상 증착(PVD) 시스템에서 수행된다. 기판 온도를 제외하여, 모든 샘플들은 동일한 조건들하에서 증착되고, 원자 산소의 소스로서 산소 플라즈마 소스를 이용한다. 산화물 재료들, 리튬 규산염 및 리튬 붕산염은 양쪽 실리콘 및 붕소(각각 4+ 및 3+)의 가장 높은 산화 상태들을 요구하고, 그러므로 분자 산소보다 원자 산소의 사용은 재료들( 및 )에서 요구된 바와 같이, 을 2O로 깨뜨리기 위하여 요구된 해리 단계를 제거하고 실리콘 및 붕소를 그들의 가장 높은 산화 상태들로 산화하기 위하여 높은 반응성 종들을 제공한다. 리튬은 크누센 셀 소스로부터 증착되었다. 실리콘 및 붕소 둘 다는 전자 총(E-gun) 소스들로부터 증착되었다.Lithium borosilicate as an exemplary lithium-containing oxide compound that provides a good electrolyte material in amorphous form ( Consider According to embodiments of the present invention, this material is formed of component elements, lithium, oxygen and two glass-forming elements, boron and silicon. Several samples of lithium borosilicates are prepared at various substrate temperatures using vapor deposition of these component elements similar to the embodiments described above and characterized using Raman spectroscopy to determine their structure and properties. Depositions are performed in a physical vapor deposition (PVD) system previously described in Guerin, S. and Hayden, BE, Journal of Combinatorial Chemistry 8, 2006, pages 66-73. Except for the substrate temperature, all samples are deposited under the same conditions and use an oxygen plasma source as the source of atomic oxygen. Oxide materials, lithium silicate and lithium borate require the highest oxidation states of both silicon and boron (4+ and 3+, respectively), and therefore the use of atomic oxygen rather than molecular oxygen is a critical And As required by It removes the dissociation step required to break down to 2O and provides highly reactive species to oxidize silicon and boron to their highest oxidation states. Lithium was deposited from a Knudsen cell source. Both silicon and boron were deposited from E-gun sources.
초기 작업은, 비정질 상태가 재료의 원하는 형태이고 가열이 재료의 결정화를 생성할 것이 예상되기 때문에 가열 없이(실온, 29℃의 기판 온도를 제공함) 수행되었고, 이는 이온 전도율의 저하를 초래한다. 그러나, 심지어 실온에서 원자 산소의 가장 높은 흐름을 사용하여 수행되는 증착은 관심 재료를 초래하지 않는다. 요구된 화학 반응의 부족은, 어떠한 리튬 붕규산염도 기판상에 형성되지 않는 것을 의미한다.The initial work was performed without heating (at room temperature, providing a substrate temperature of 29 ° C.) because the amorphous state is the desired form of the material and heating is expected to produce crystallization of the material, which leads to a decrease in ionic conductivity. However, even the deposition carried out using the highest flow of atomic oxygen at room temperature does not result in the material of interest. The lack of the required chemical reaction means that no lithium borosilicate is formed on the substrate.
그 다음, 놀랍게도, 기판이 증착 동안 가열될 때 비정질 리튬 붕규산염이 형성되는 것이 발견되었고, 이는 요구된 구조를 가진 재료를 초래하고 전해질로서 사용하기에 적당한 높은 이온 전도율을 나타낸다. 그 다음 증착 동안 상이한 기판 온도들의 효과는 조사되었다. 라만 스펙트라의 측정은 증착 온도의 함수로서 규산염 및 붕산염 반족(moiety)의 모니터링을 가능하게 하여, 박막의 컴포지션이 결정되게 한다.Surprisingly, it was found that amorphous lithium borosilicate is formed when the substrate is heated during deposition, which results in a material with the required structure and exhibits high ionic conductivity suitable for use as an electrolyte. Then the effect of different substrate temperatures during the deposition was investigated. Measurements of Raman spectra allow monitoring of silicate and borate moieties as a function of deposition temperature, allowing the composition of the thin film to be determined.
표 1은 리튬 붕규산염이 Li-B-Si-O 3원 시스템으로서 고려되는 이들 연구들의 결과들을 요약한다. 어떠한 B-O 또는 Si-O 본드들도 29℃와 150℃ 사이의 온도들에 증착된 샘플들 내에서 관찰되지 않고, 이는 어떠한 리튬 붕규산염도 형성되지 않는 것을 가리킨다. 200℃와 275℃ 사이에서 증착된 재료들은 원하는 규산염 및 붕산염 반족들(Si-O 및 B-O)을 나타내는 것으로 주의된다. 컴포지션(다양한 컴포넌트 엘리먼트들: 리튬, 산소, 붕소 및 실리콘의 비율)의 최소 변화는 이런 상승된 온도에서 리튬의 손실로 인해 275℃에서 관찰되었다.Table 1 summarizes the results of these studies in which lithium borosilicate is considered as a Li-B-Si-O ternary system. No B-O or Si-O bonds were observed in samples deposited at temperatures between 29 ° C and 150 ° C, indicating that no lithium borosilicate was formed. It is noted that the materials deposited between 200 ° C. and 275 ° C. exhibit the desired silicate and borate groups (Si-O and B-O). Minimal changes in composition (ratio of various component elements: lithium, oxygen, boron and silicon) were observed at 275 ° C. due to the loss of lithium at this elevated temperature.
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표 1의 결과들은, 산소 플라즈마 소스를 사용할 때, 150℃ 또는 그 미만의 기판 온도가 리튬 붕규산염 박막을 생성하지 못하는 반면, 200℃ 또는 그 초과의 기판 온도가 리튬 붕규산염의 형성을 가능하게 하는 것을 보여준다. 이들 및 다른 측정들로부터, 본 발명자들은, 원하는 비정질 화합물이 형성되도록 약 180℃ 또는 그 초과의 온도로 기판을 가열하는 것이 기판 표면상에 요구된 화학 반응이 발생하기에 충분하다는 것을 결론내렸다. 상한 온도 제한에 관하여, 이런 예에서 소스들을 조절하지 않고, 리튬 손실로 인해 약 275℃를 초과하게 기판 온도를 증가시키는 것은 바람직하지 않을 것이다. 그러나, 금속 엘리먼트들에 대한 별개의 소스들의 사용으로 인해, 리튬 소스의 레이트는 275℃보다 높은 온도들에서 올바른 컴포지션을 가진 재료의 증착을 허용하기 위하여 증가될 수 있다. 온도에 대한 상한은, 결정화, 및 이온 전도율의 동시 감소가 발생할 온도이다. 약 350℃까지의 기판 온도는 실행 가능한데, 그 이유는 이것이 소스 조절에 의한 리튬 손실 보상을 여전히 가능하게 하면서 결정화를 회피시킬 것이기 때문이다. 180℃ 내지 350℃의 온도 범위는 산화물 및 산질화물 화합물들을 포함하는 모든 리튬-함유 및 유리-형성 엘리먼트에 적용 가능한 것으로 예상되고, 따라서 본 발명은 이들 재료들의 비정질 샘플들을 생성하기 위한 신뢰성 있고 간단한 방식으로 제공한다. 그러나, 결정질 리튬-함유 금속 산화물 화합물들은 이런 범위의 하한 부분들의 온도들에서 성공적으로 증착될 수 있고(하기 추가로 논의되는 바와 같이), 따라서 박막 배터리를 제조할 때 원해지면 더 높은 온도들이 회피될 수 있다. The results in Table 1 show that when using an oxygen plasma source, a substrate temperature of 150 ° C. or lower does not produce a lithium borosilicate thin film, while a substrate temperature of 200 ° C. or higher enables the formation of lithium borosilicate. Shows that From these and other measurements, the inventors concluded that heating the substrate to a temperature of about 180 ° C. or higher to form the desired amorphous compound is sufficient for the required chemical reaction to occur on the substrate surface. Regarding the upper temperature limit, it would be undesirable to increase the substrate temperature above about 275 ° C. due to lithium loss without adjusting the sources in this example. However, due to the use of separate sources for the metal elements, the rate of the lithium source can be increased to allow deposition of the material with the correct composition at temperatures higher than 275 ° C. The upper limit for temperature is the temperature at which simultaneous crystallization and reduction in ionic conductivity will occur. Substrate temperatures up to about 350 ° C. are feasible because this will avoid crystallization while still enabling lithium loss compensation by source control. The temperature range of 180 ° C. to 350 ° C. is expected to be applicable to all lithium-containing and glass-forming elements, including oxide and oxynitride compounds, and thus the present invention provides a reliable and simple way to produce amorphous samples of these materials. To provide. However, crystalline lithium-containing metal oxide compounds can be successfully deposited at temperatures in the lower portions of this range (as discussed further below), so higher temperatures can be avoided if desired when manufacturing thin film batteries. Can be.
도 2는 파수에 대한 강도로서 플로팅된 실온(29℃) 및 225℃에서 증착된 (±1 at.%)의 라만 스펙트라를 도시한다. 라인(40)은 29의 스펙트럼을 도시하고 라인(42)은 225의 스펙트럼을 도시한다. 이들로부터, 실온에서 증착된 재료가 관심 반족들을 포함하지 않는다(어떠한 대역들도 관심 구역에서 관찰되지 않음)을 알 수 있다. 225℃에서 증착된 재료는 관심 있는 붕산염 및 규산염 반족들 둘 다에 할당될 수 있는 대역들을 나타낸다.2 is deposited at room temperature (29 ° C.) and 225 ° C. plotted as strength against wavenumber. Raman spectra of (± 1 at.%) Are shown.
게다가, 임피던스 측정들은 29℃ 및 225℃에서 증착된 재료들에서 수행되었다. 재료가 어떠한 이온 전도율도 도시하지 않기 때문에, 29℃에서 증착된 재료들의 이온 전도율을 결정하는 것은 가능하지 않았다. 이것은 규산염 및 붕산염 반족들의 무시 가능한 형성과 일치한다. 대조하여 225℃에서 증착된 재료는 명확한 이온 전도 프로세스를 나타냈고, 의 전도율 값을 가진다. 이런 레벨의 전도율의 관찰은 양쪽 관심 재료, 리튬 붕규산염이 상승된 온도에서 생성되었고 결정화가 증착 동안 재료의 가열로 인해 발생되지 않았다는 것을 확인시킨다. 재료가 결정화되었다면 이온 전도율은 몇 배만큼 감소될 것이다. 이런 재료의 X-선 회절은 결정화가 발생하지 않았다는 것을 확인시킨다.In addition, impedance measurements were performed on materials deposited at 29 ° C and 225 ° C. Since the material does not show any ionic conductivity, it was not possible to determine the ionic conductivity of the materials deposited at 29 ° C. This is consistent with the negligible formation of silicate and borate families. In contrast, the material deposited at 225 ° C. exhibited a definite ion conduction process, It has a conductivity value of. Observation of this level of conductivity confirms that both materials of interest, lithium borosilicate, were produced at elevated temperatures and that no crystallization occurred due to heating of the material during deposition. If the material is crystallized the ionic conductivity will be reduced by several times. X-ray diffraction of this material confirms that no crystallization has occurred.
따라서, 예상되지 않은 결과로, 리튬-함유 산화물 화합물의 비정질 박막이 가열된 기판상에 형성될 수 있다는 것이 얻어진다.Thus, as an unexpected result, it is obtained that an amorphous thin film of a lithium-containing oxide compound can be formed on a heated substrate.
비정질 리튬 Amorphous lithium 붕규산염의Borosilicate 추가 특성화 Further characterization
설명된 바와 같이, 리튬 붕규산염 박막들은 225℃를 포함하는 상승된 온도들에서 준비되었다. 가열이 결정화를 유발한다는 이해에 기초한 예상들에 대조하여, 이들 박막들은 비정질인 것으로 관찰되었다.As described, lithium borosilicate thin films were prepared at elevated temperatures, including 225 ° C. In contrast to the expectations based on the understanding that heating causes crystallization, these thin films were observed to be amorphous.
도 3은 리튬 붕규산염의 결정 구조를 조사하기 위하여 수행된 X-선 회절 측정들의 결과들을 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, X-선 회절 플롯은 리튬 붕규산염으로부터 발생하는 어떠한 명확한 피크들도 도시하지 않는다. 오히려, 도시된 피크들은 리튬 붕규산염 박막을 지지하는 기판의 재료들에 인한다. 도 3은 Pt 및 ("!" 및 "*"으로 각각 표시됨)에 대한 기준 패턴들을 포함하고, 이는 관찰된 피크들이 박막보다 오히려 기판으로부터 발생하는 것을 나타낸다. 리튬 붕규산염으로 인한 임의의 피크들의 부재는, 증착된 재료가 비정질인 것을 나타낸다.3 shows the results of X-ray diffraction measurements performed to investigate the crystal structure of lithium borosilicate. As can be seen, the X-ray diffraction plot does not show any clear peaks resulting from lithium borosilicate. Rather, the peaks shown support the lithium borosilicate thin film. Due to the materials of the substrate. 3 is Pt and (Represented by "!" And "*", respectively), indicating that the observed peaks occur from the substrate rather than the thin film. The absence of any peaks due to lithium borosilicate indicates that the deposited material is amorphous.
리튬 붕규산염 샘플들을 추가로 테스트하기 위하여, 임피던스 측정들이 이온 전도율을 결정하기 위하여 실온에서 수행되었다.To further test the lithium borosilicate samples, impedance measurements were performed at room temperature to determine ionic conductivity.
도 4는 225℃의 기판 온도에서 증착된 리튬 붕규산염의 샘플의 임피던스 스펙트럼으로서 임피던스 측정들의 결과들을 도시한다. 박막의 화학 컴포지션은 이다. 이들 측정들로부터, 이온 전도율은 인 것으로 결정되었다. 이것은 재료가 리튬 이온 배터리에서 전해질로서 사용하기에 적당하게 하고, 현재 가장 일반적으로 사용되는 박막 전해질의 이온 전도율, LIPON()과 비슷하다.4 shows the results of impedance measurements as the impedance spectrum of a sample of lithium borosilicate deposited at a substrate temperature of 225 ° C. FIG. The chemical composition of the thin film to be. From these measurements, the ionic conductivity is Was determined to be. This makes the material suitable for use as an electrolyte in lithium ion batteries, and the ionic conductivity, LIPON ( Similar to).
질소-도핑 리튬 Nitrogen-doped lithium 붕규산염Borosilicate
리튬 붕규산염의 상기 설명된 제조는 다른 리튬-함유 산화물 및 산질화물 화합물들의 생성에 자신의 융통성 및 응용성을 나타내도록 수정되었다. 질소-도핑 리튬 붕규산염은 혼합된 산소-질소 플럭스를 전달하기 위하여, 산소 플라즈마 소스에 공급되는 가스에 질소를 도입함으로써 생성되었다. 리튬, 붕소 및 실리콘은 이전에 설명된 바와 같이 제공되었고, 기판의 온도는 225℃였다. 도핑되지 않은 리튬 붕규산염에 대해 나타난 것과 유사한 다양한 기판 온도들은 또한 질소-도핑 재료들에 적용 가능하고, 즉, 예컨대 리튬 손실을 조절하기 위한 필요 없이 간단한 방식으로 우수 재료를 생성할 것 같은 약 180℃ 내지 약 350℃, 더 좁은 범위의 약 180℃ 내지 약 275℃가 적용 가능하다.The above-described preparation of lithium borosilicate has been modified to show its flexibility and applicability in the production of other lithium-containing oxide and oxynitride compounds. Nitrogen-doped lithium borosilicate was produced by introducing nitrogen into the gas supplied to the oxygen plasma source to deliver the mixed oxygen-nitrogen flux. Lithium, boron and silicon were provided as previously described and the temperature of the substrate was 225 ° C. Various substrate temperatures similar to those shown for undoped lithium borosilicate are also applicable to nitrogen-doped materials, ie about 180 ° C., which is likely to produce rainwater material in a simple manner without the need to control lithium loss, for example. To about 350 ° C, a narrower range of about 180 ° C to about 275 ° C is applicable.
도 5는 결과적인 질소-도핑 리튬 붕규산염 박막의 측정된 X-선 회절 플롯을 도시한다. 그래프상의 피크들("!"로 표시됨)은 AlOPt 기판의 백금으로 인한다. 다른 피크들의 부재는, 샘플이 비정질이고 결정질 구조가 없다는 것을 표시한다.5 shows the measured X-ray diffraction plot of the resulting nitrogen-doped lithium borosilicate thin film. Peaks on the graph (denoted by "!") Are due to the platinum of the AlOPt substrate. The absence of other peaks indicates that the sample is amorphous and free of crystalline structure.
도 6은 의 컴포지션을 가진 질소-도핑 리튬 붕규산염 박막의 임피던스 스펙트럼을 도시한다. 이런 측정으로부터, 이온 전도율은 인 것으로 결정된다. 이들 결과들은 이 프로세스의 융통성을 나타내고, 이는 쉽게 질소에 비정질 리튬 붕규산염의 성공적인 도핑을 가능하게 한다. 도핑은 로부터 로의 화합물의 이온 전도율의 명확한 개선을 나타낸다. 이것은 전해질 재료 LiPON에 대해 이전에 도시된 재료의 성능을 상당히 넘게 개선하고 그러므로 고체 상태 배터리의 성능을 개선하기 위한 간단하고 효과적인 수단을 제공한다.6 Shows the impedance spectrum of a nitrogen-doped lithium borosilicate thin film with a composition of. From these measurements, the ionic conductivity Is determined to be. These results show the flexibility of this process, which allows for the successful doping of amorphous lithium borosilicate into nitrogen easily. Doping from A clear improvement in the ionic conductivity of the compound into the furnace. This significantly improves the performance of the material previously shown for the electrolyte material LiPON and therefore provides a simple and effective means for improving the performance of solid state batteries.
결정질 재료들Crystalline materials
예들로서, 결정질 리튬 망간 산화물 및 결정질 리튬 망간 니켈 산화물 박막들은 상기 설명된 바와 같이 가열된 기판들상에 엘리먼트들로부터의 직접 증착에 의해 제조되었다.As examples, crystalline lithium manganese oxide and crystalline lithium manganese nickel oxide thin films were prepared by direct deposition from elements on heated substrates as described above.
다르게 언급되지 않으면 증착들은 Guerin, S; Hayden, B. E., J. Comb. Chem., 2006, 8, 66 및 WO 2005/035820에서 설명된 어레인지먼트를 사용하여 초-높은 진공(UHV) 시스템 내에서 수행되었다. 막들은 (10 nm) 및 백금(100 nm)(AlOPt, from Mir Enterprises)로 코팅된 사파이어 기판들상에 증착되었다.Unless otherwise stated, the depositions were Guerin, S; Hayden, BE, J. Comb. The arrangements described in Chem., 2006, 8, 66 and WO 2005/035820 were performed in ultra-high vacuum (UHV) systems. The curtains (10 nm) and platinum (100 nm) (AlOPt, from Mir Enterprises) were deposited on sapphire substrates.
캐소드로서 의도된 리튬 망간 산화물 및 리튬 망간 니켈 산화물(각각 LMO 및 LMNO)은 리튬, 망간, 니켈 및 산소 소스들로부터 합성되었다. 망간 및 리튬은 크누센 셀들로부터 증착되었다. 니켈은 전자 빔 증착기로부터 증착되었고 산소는 플라즈마 원자 소스에 의해 제공되었다.Lithium manganese oxide and lithium manganese nickel oxide (LMO and LMNO, respectively) intended as cathode were synthesized from lithium, manganese, nickel and oxygen sources. Manganese and lithium were deposited from Knudsen cells. Nickel was deposited from an electron beam evaporator and oxygen was provided by a plasma atomic source.
LMO의 다양한 샘플들은 25℃와 450℃ 사이의 기판 온도들에서 증착되었다. 이용된 기판 온도를 수정함으로써, 결정화를 위한 임계치가 결정되고, 결과적 재료의 결정화는 온도가 상승됨에 따라 강화된다.Various samples of LMO were deposited at substrate temperatures between 25 ° C and 450 ° C. By modifying the substrate temperature used, the threshold for crystallization is determined, and the crystallization of the resulting material is enhanced as the temperature is raised.
도 7은 상이한 온도들에서 증착된 LMO의 샘플들의 X-선 회절 측정들의 결과들을 도시한다. 라인(44)은 회절 패턴에 명확한 피크들을 나타내지 않는 실온(25℃)에서 증착된 LMO를 나타낸다. 이것은 실온에서 증착에 대하여 예상된 바와 같이 비정질 재료와 일치한다. 기판 온도를 150℃로 증가시키는 것(라인 46)은 결정화가 발생하게 하고, 이는 이 샘플에 대해 기록된 회절 패턴이 (00-035-0782)의 111 반사와 일치하는 ca. 18.6°에서 작은 피크를 나타낸다는 사실로부터 알 수 있다. 200℃ 미만의 온도들에서 LMO의 박막들의 증착이 X-선 비정질 재료들을 초래하는 종래 기술이 주어지는 경우 단지 150℃의 기판 온도에서 X-선 회절에 의한 결정화의 관찰은 놀랍다. 기판 온도를 250℃까지 추가로 증가시키는 것(라인 48)은 111 반사의 강화된 피크 강도에 의해 나타난 바와 같이 결정화를 추가로 강화하는 것이 주의된다. 350℃에서 증착된 LMO(라인 50)는 그 각도에서 피크 강도의 추가 강화를 나타낸다.7 shows the results of X-ray diffraction measurements of samples of LMO deposited at different temperatures.
이들 피크들에 대한 반치전폭(FWHM)을 결정하는 것은 개선된 결정화에 추가 이해를 제공한다. 미결정들이 성장함에 따라 FWHM은 강화된 배열을 제공하는 더 큰 미결정들로 인해 감소한다. 150℃에서 증착된 LMO는 0.882°의 FWHM을 나타낸다. 이것은 쉐레(Scherrer) 방정식에 의해, 이 경우 대략 9nm인 적당한 미결정 사이즈로 번역될 수 있다. 증착 온도를 250℃로 증가시키는 것은 0.583°까지 FWHM의 감소를 유발하고, 수반되는 것은 14nm로 미결정 사이즈를 증가시킨다. 350℃의 온도로 추가 증가는 0.471°의 FWHM 및 17nm의 미결정 사이즈를 초래한다.Determining the full width at half maximum (FWHM) for these peaks provides a further understanding of the improved crystallization. As the microcrystals grow, the FWHM decreases due to larger microcrystals that provide enhanced alignment. LMO deposited at 150 ° C. shows an FWHM of 0.882 °. This can be translated by the Scherrer equation to a suitable microcrystalline size, in this case approximately 9 nm. Increasing the deposition temperature to 250 ° C. results in a decrease in FWHM to 0.583 °, and accompanying increases the microcrystalline size to 14 nm. Further increase to a temperature of 350 ° C. results in an FWHM of 0.471 ° and a microcrystalline size of 17 nm.
따라서, 우수한 품질 구성 결정질 재료는 이들 중간 기판 온도들에서 달성된다. 이것은 포스트-어닐링에 대한 필요를 제거하고, 그리고 어닐링을 위하여 필요한 것에 비교될 때 제조 온도를 감소시킴으로써 공지된 기술들에 비해 큰 개선을 나타낸다.Thus, good quality constituent crystalline material is achieved at these intermediate substrate temperatures. This represents a significant improvement over known techniques by eliminating the need for post-annealing and by reducing the manufacturing temperature when compared to what is needed for annealing.
리튬 망간 니켈 산화물(LMNO) 샘플들은 이전에 상세된 기술을 사용하여 다양한 조건들하에서 준비되었다. 다시, 결정질 재료는 단지 중간 기판 온도들에서만 직접적으로 성공적으로 증착되었다. 이용된 기판 온도를 수정함으로써, 결과적인 재료의 결정화는 강화될 수 있다.Lithium manganese nickel oxide (LMNO) samples were prepared under various conditions using the techniques detailed previously. Again, the crystalline material was successfully deposited directly only at intermediate substrate temperatures. By modifying the substrate temperature used, the crystallization of the resulting material can be enhanced.
도 8은 상이한 온도들에서 증착된 LMNO의 샘플들의 X-선 회절 측정들의 결과들을 도시한다. 라인(52)에 의해 도시된 실온(25℃)에서 증착된 재료는 이 온도에서 예상된 비정질 재료와 일치하는 회절 패턴들에서 어떠한 명확한 피크들도 나타내지 않는다. 온도를 150℃로 증가시키는 것(라인 54)은 결정화를 강화하고, (04-015-5905)의 111 반사와 일치하는 ca.18.6°에서 작은 피크를 나타낸다. 기판 온도를 추가로 250℃로 증가시키는 것(라인 56)은 111 반사의 더 큰 피크 강도에 의해 나타난 바와 같이 결정화를 추가로 강화시키는 것이 주의된다. 350℃에서 증착된 재료(라인 58)는 그 각도에서 피크 강도의 추가 강화를 나타내고, 450℃에서 증착된 LMNP(라인 60)는 그 각도에서 피크 강도의 부가적인 강화를 나타낸다.8 shows the results of X-ray diffraction measurements of samples of LMNO deposited at different temperatures. The material deposited at room temperature (25 ° C.) shown by
이들 피크들에 대한 반치전폭(FWHM)을 결정하는 것은 개선된 결정화에 추가 이해를 제공한다. 미결정들이 성장함에 따라 FWHM은 강화된 배열을 제공하는 더 큰 미결정들로 인해 감소한다. 150℃에서 증착된 LMNO는 0.841°의 FWHM을 나타낸다. 이것은 쉐레(Scherrer) 방정식에 의해, 이 경우 대략 10nm인 적당한 미결정 사이즈로 번역될 수 있다. 증착 온도를 250℃로 증가시키는 것은 0.805°까지 FWHM의 약간의 감소를 유발하고, 이는 대략 10nm로 미결정 사이즈를 초래한다. 350℃의 온도로 추가 증가는 0.511°의 FWHM 및 10nm의 미결정 사이즈를 초래한다. 450℃에서 수행된 증착들은 0.447°의 FWHM 및 18nm의 미결정 사이즈를 초래한다.Determining the full width at half maximum (FWHM) for these peaks provides a further understanding of the improved crystallization. As the microcrystals grow, the FWHM decreases due to larger microcrystals that provide enhanced alignment. LMNO deposited at 150 ° C. shows an FWHM of 0.841 °. This can be translated by the Scherrer equation to a suitable microcrystalline size, in this case approximately 10 nm. Increasing the deposition temperature to 250 ° C. results in a slight decrease in FWHM to 0.805 °, which results in a microcrystalline size of approximately 10 nm. Further increase to a temperature of 350 ° C. results in a FWHM of 0.511 ° and a microcrystalline size of 10 nm. Depositions performed at 450 ° C. resulted in FWHM of 0.447 ° and microcrystalline size of 18 nm.
따라서, LMO에 대해, 우수한 품질 구성 결정질 LMNO는 이들 중간 온도 기판들로 달성될 수 있다. 정말로, LMNO의 X-선 회절 측정들은 명백히, 임의의 포스트 어닐링에 대한 필요, 또는 이온 소스 같은 이차 소스에 대한 적용 에너지 없이 이전에 나타난 것들보다 상당히 낮은 중간 온도들에서 결정질 LMNO를 증착하는 것이 가능하다는 것을 나타낸다. 비교로서, 졸-겔 샘플들을 가진 결정질 LMNO를 생성하기 위하여 요구된 어닐링 프로세스들이 750℃에서 3개의 어닐링 및 800℃에서 추가 어닐링을 요구하는 것이 이전에 도시되었다(Zhong, Q., et al., J. Electrochem. Soc., (1997), 144(1), 205-213).Thus, for LMO, good quality constituent crystalline LMNO can be achieved with these intermediate temperature substrates. Indeed, X-ray diffraction measurements of LMNO clearly show that it is possible to deposit crystalline LMNO at significantly lower intermediate temperatures than those previously shown without the need for any post annealing, or application energy for secondary sources such as ion sources. Indicates. As a comparison, it has previously been shown that the annealing processes required to produce crystalline LMNO with sol-gel samples require three annealing at 750 ° C. and further annealing at 800 ° C. (Zhong, Q., et al., J. Electrochem. Soc., (1997), 144 (1), 205-213).
결정질 Crystalline LMOLMO 및 And LMNO의LMNO's 표면 특성화 Surface Characterization
본 발명의 실시예들에 따라 증착된 LMO 및 LMNO의 표면 형태학은 임의의 개선들을 결정하기 위하여 대안 방법들에 의해 증착된 것들과 비교되었다.The surface morphology of the LMO and LMNO deposited in accordance with embodiments of the present invention was compared with those deposited by alternative methods to determine any improvements.
도 9(a)-도 9(e)는 30 K X 배율로 스캐닝 전자 현미경(SEM) 이미지들 형태의 결과들 중 일부를 도시한다. 도 9(e) 및 도 9(d)는 각각 225℃ 및 350℃의 기판 온도들에서 본 발명에 따라 증착된 LMO 박막들을 도시하는 반면, 도 4(a), 도 4(b) 및 도 4(c)는 각각 200℃, 300℃ 및 400℃의 기판 온도들에서 RF 스프터링을 사용하여 증착된 LMO 막들을 도시한다(Jayanth et al. Appl Nanosci (2012) 2:401-407). 양쪽 225℃ 및 350℃에서 본 발명에 따라 증착된 LMO가 200℃ 및 300℃에서 RF 스퍼터링에 의해 증착된 것에 비교될 때 상당히 감소된 거칠기를 나타내는 것이 주의된다. 대략 100 nm 직경의 단지 매우 작은 수의 피처들은 350℃에서 본 발명에 따라 증착된 LMO 막상에서 관찰되었고 더 적은 수가 225℃에서 증착된 막상에서 관찰되었다. 이들 샘플들은 스프터링에 의해 증착된 막들보다 상당히 부드럽고; 예컨대 300℃에서 증착된 막은 1 ㎛ 정도의 직경들을 가진 피처들을 가지는 것으로 관찰될 수 있다. 스퍼터링된 막들에서 관찰된 피처들은 일반적으로 본 발명의 실시예들에 따라 증착된 막들에서 관찰된 것보다 큰 크기이고, 이것은 이들 박막들이 디바이스들로 어셈블리될 때 상당한 차이를 만들 것이다. 예컨대, 이런 강화된 막 품질은 서로의 상단 상에 막들의 다수의 얇은 층들을 증착할 때 중요하다. 만약 고체 상태 배터리 내에 캐소드로서 LMO를 사용하면, 전해질 내로 그리고 전해질을 통하여 연장되는 표면 돌출부들에 의해 유발된 위에 놓인 애노드와 LMO 사이의 직접 콘택을 방지하기 위하여 LMO 상에 고체 전해질의 적당히 얇은 층을 증착하는 것이 필요할 것이다. 본 발명의 사용에 의해 달성될 수 있는 바와 같은 LMO 층의 증가된 부드러움은 더 얇은 층의 전해질이 사용되게 하고, 이는 더 효율적인 고체 상태 배터리 및 더 싸고 더 효율적인 그 배터리의 제조를 초래한다.9 (a) -9 (e) show some of the results in the form of scanning electron microscope (SEM) images at 30 K X magnification. 9 (e) and 9 (d) show LMO thin films deposited according to the present invention at substrate temperatures of 225 ° C. and 350 ° C., respectively, while FIGS. 4 (a), 4 (b) and 4 (c) shows LMO films deposited using RF sputtering at substrate temperatures of 200 ° C., 300 ° C. and 400 ° C., respectively (Jayanth et al. Appl Nanosci (2012) 2: 401-407). It is noted that the LMO deposited according to the invention at both 225 ° C and 350 ° C exhibits significantly reduced roughness when compared to that deposited by RF sputtering at 200 ° C and 300 ° C. Only a very small number of features of approximately 100 nm diameter were observed on the LMO film deposited according to the invention at 350 ° C. and a smaller number was observed on the film deposited at 225 ° C. These samples are considerably softer than films deposited by sputtering; For example, a film deposited at 300 ° C. can be observed to have features with diameters on the order of 1 μm. Features observed in sputtered films are generally larger in size than those observed in films deposited according to embodiments of the present invention, which will make a significant difference when these thin films are assembled into devices. For example, such enhanced film quality is important when depositing multiple thin layers of films on top of each other. If LMO is used as a cathode in a solid state battery, a moderately thin layer of solid electrolyte is deposited on the LMO to prevent direct contact between the underlying anode and the LMO caused by surface protrusions extending into and through the electrolyte. It will be necessary to deposit. The increased softness of the LMO layer as can be achieved by the use of the present invention results in the use of thinner layers of electrolyte, which results in the production of more efficient solid state batteries and cheaper and more efficient batteries.
도 10(a) 및 도 10(b)는 LMNO 샘플들의 비교된 SEM 이미지들을 도시한다. 도 10(a)는 350℃에서 본 발명에 따라 증착된 LMNO를 도시하고, 도 10(b)는 공기중에서 700℃(상부 이미지) 및 공기중에서 750℃(하부 이미지)의 포스트 어닐링과 함께 자기 스퍼터링에 의해 증착된 LMNO를 도시한다(Baggetto et al., J. Power Sources, (2012), 211, 108-118). 이들 이미지들로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 샘플은 포스트-어닐링과 함께 스퍼터링에 의해 증착된 종래 기술의 막 표면보다 상당히 부드럽고 밀집된 막 표면을 나타낸다.10 (a) and 10 (b) show compared SEM images of LMNO samples. 10 (a) shows LMNO deposited according to the invention at 350 ° C., FIG. 10 (b) shows magnetic sputtering with post annealing at 700 ° C. (top image) and 750 ° C. (bottom image) in air. LMNO deposited by (Baggetto et al., J. Power Sources, (2012), 211, 108-118). As can be seen from these images, the samples prepared according to the present invention exhibit significantly smoother and dense film surfaces than prior art film surfaces deposited by sputtering with post-annealing.
기능 배터리들의 설명들Description of functional batteries
높은 이온 전도율을 수반하고 도핑되지 않은 그리고 도핑된 리튬 붕규산염의 비정질 성질은, 이들 박막들이 박막 배터리에서 전해질로서 사용하기에 매우 적당하다는 것을 나타낸다. 유사하게, 결정질 LMO 및 LMNO는 캐소드로서 사용하기에 매우 적당하다. 그러므로, 다양한 박막 하프(half) 셀들 및 배터리들은 설명된 기상 증착 프로세스를 사용하여 생성되고 전체 기능을 나타내기 위하여 특성화된다.The amorphous nature of undoped and doped lithium borosilicates with high ionic conductivity indicates that these thin films are very suitable for use as electrolyte in thin film batteries. Similarly, crystalline LMO and LMNO are very suitable for use as cathodes. Therefore, various thin film half cells and batteries are generated using the vapor deposition process described and characterized to represent the overall functionality.
도 11은 통상적인 구조의 예시적 리튬 이온 박막 배터리 또는 셀(70)의 개략 단면도를 도시한다. 그런 배터리들은 통상적으로 하나 또는 그 초과의 증착 또는 다른 제조 프로세스들에 의해 형성된 일련의 층들을 포함한다. 본 발명의 기상 증착 방법은 이를 위해 유리한데, 그 이유는 우수한 품질 전극 및 전해질 재료들이 동일하거나 유사한 온도 기판상에 직접 증착될 수 있기 때문이다. 예시적 배터리(70)에서, 기판(72)은 다양한 층들을 지지한다. 기판으로부터 시작하는 순서로 이들은 캐소드 전류 컬렉터(74), 캐소드(76), 전해질(78), 애노드(80) 및 애노드 전류 컬렉터(82)이다. 보호 캡슐화 층(84)은 층들 위에 형성된다. 다른 예들에서, 층들은 만약 포함되면 항상 최종 층일 캡슐화 층을 제외하고, 반대 순서로 배열될 수 있다.11 shows a schematic cross-sectional view of an exemplary lithium ion thin film battery or
실험적 배터리 결과들: 리튬 Experimental Battery Results: Lithium 붕규산염Borosilicate 전해질 및 리튬 망간 산화물 Electrolyte and Lithium Manganese Oxide 캐소드Cathode
캐소드, 전해질 및 애노드 층들을 포함하는 샘플들은 동작 셀들을 나타내기 위하여 실험들에서 제조되었다. 제 1 예에서, 박막 배터리의 3개의 구성 막들(캐소드, 전해질 및 애노드)의 증착은 초고도 진공 시스템 내에서 (10nm)로 코팅된 사파이어 기판들 상에서 수행되었다(Mir Enterprises로부터의 AlOPt 기판). 캐소드에 대해, 리튬 망간 산화물(LMO)의 박막은 리튬, 망간 및 산소 소스들로부터 합성되었다. 망간 및 리튬은 크누센 셀들로부터 증착되는 반면 산소는 플라즈마 원자 소스에 의해 제공되었다. 증착은 7620 초 동안 수행되었고, 300 nm의 균일한 두께의 박막을 제공한다. 기판의 온도는 본 발명의 실시예들에 따라 결정질 재료를 제공하기 위하여 350℃에서 유지된다. 그러나, 이것은 단지 예시이고 LMO 캐소드 층은 상기 논의된 바와 같이 다양한 컴포넌트들에 대한 대안 소스들, 및 다른 온도들 및 다른 시간들 동안 증착될 수 있다. LMO 증착의 종료시 리튬 및 망간 소스 셔터(shutter)들은 이들 엘리먼트들의 플럭스를 차단하기 위하여 폐쇄되었다. 기판은 360 초의 기간에 걸쳐 350℃로부터 225℃로 냉각되고, 그 시간 동안 원자 산소의 플럭스에 노출이 계속된다.Samples containing the cathode, electrolyte and anode layers were prepared in the experiments to represent the working cells. In a first example, the deposition of three constituent films (cathode, electrolyte and anode) of a thin film battery is performed in an ultrahigh vacuum system. (10 nm) coated on sapphire substrates (AlOPt substrate from Mir Enterprises). For the cathode, a thin film of lithium manganese oxide (LMO) was synthesized from lithium, manganese and oxygen sources. Manganese and lithium were deposited from Knudsen cells while oxygen was provided by a plasma atomic source. The deposition was performed for 7620 seconds, giving a thin film of uniform thickness of 300 nm. The temperature of the substrate is maintained at 350 ° C. to provide a crystalline material in accordance with embodiments of the present invention. However, this is merely an example and the LMO cathode layer may be deposited for alternative sources for various components and other temperatures and other times as discussed above. At the end of the LMO deposition the lithium and manganese source shutters were closed to block the flux of these elements. The substrate is cooled from 350 ° C. to 225 ° C. over a period of 360 seconds, during which time exposure to the flux of atomic oxygen continues.
전해질은 본 발명의 실시예들에 따라 또한 증착된 리튬 붕규산염의 박막이었다. 이는 리튬, 붕소, 실리콘 및 산소 소스들을 사용하여 합성되었다. 캐소드에 대해, 리튬은 크누센 셀로부터 증착되었고 플라즈마 소스는 원자 산소를 제공하였다. 붕소 및 실리콘은 전자 빔 증착기들로부터 증착되었다. 기판은 전해질의 증착 동안 225℃에서 유지되고, 이는 800 nm 두께의 박막을 제공하기 위하여 14400 초들 동안 계속되었다. 그러나, 이 프로세스는 단지 예시이고 비정질 리튬 붕규산염 전해질 층은 상기 논의된 바와 같이 다양한 컴포넌트 엘리먼트들에 대한 대안적인 소스들, 및 다른 온도들 및 다른 시간들 동안 증착될 수 있다.The electrolyte was a thin film of lithium borosilicate also deposited in accordance with embodiments of the present invention. It was synthesized using lithium, boron, silicon and oxygen sources. For the cathode, lithium was deposited from the Knudsen cell and the plasma source provided atomic oxygen. Boron and silicon were deposited from electron beam depositors. The substrate was held at 225 ° C. during the deposition of the electrolyte, which continued for 14400 seconds to provide a 800 nm thick thin film. However, this process is merely illustrative and the amorphous lithium borosilicate electrolyte layer may be deposited for alternative sources for various component elements, and for other temperatures and other times, as discussed above.
이 다음, 물리적 마스크는 진공으로부터 샘플을 제거하지 않고 1×1 mm의 이산 배터리들을 정의하기 위하여 샘플의 전면에 배치되었다. 이것은 600 초보다 짧게 걸린다. 그 다음, 얇은 산화물 애노드는 180 초의 과정에 걸쳐, 크누센 셀 주석 소스 및 원자 산소 플라즈마 소스를 사용하여 증착되었다. 결과적인 애노드 층의 두께는 9.6 nm로 추정된다(캘리브레이션 측정들에 기초하여). 마지막으로, 100 nm 층의 니켈은 전자 빔 증착기 및 1.5×15 nm 애퍼처들을 가진 제 2 마스크를 사용하여 상단 전류 컬렉터로서 부가되었고, 다시 샘플은 진공에 있는다. 따라서, 박막 배터리가 생성되었다.Next, a physical mask was placed on the front of the sample to define 1 × 1 mm discrete batteries without removing the sample from the vacuum. This takes less than 600 seconds. The thin oxide anode was then deposited using a Knudsen cell tin source and an atomic oxygen plasma source, over a course of 180 seconds. The thickness of the resulting anode layer is estimated to be 9.6 nm (based on calibration measurements). Finally, the 100 nm layer of nickel was added as the top current collector using an electron beam evaporator and a second mask with 1.5 × 15 nm apertures, again the sample was in vacuum. therefore, Thin film batteries were produced.
X-선 회절 측정들은, 본 발명에 따라 예상된 바와 같이, 350℃에서 증착된 LMO 캐소드가 결정질이었고, 225℃에서 증착된 리튬 붕규산염 전해질이 비정질이었다는 것을 확인시켰다.X-ray diffraction measurements confirmed that, as expected in accordance with the present invention, the LMO cathode deposited at 350 ° C. was crystalline and the lithium borosilicate electrolyte deposited at 225 ° C. was amorphous.
비록 이 예에서 캐소드, 전해질 및 애노드 층들 각각이 가열된 기판상에 컴포넌트 엘리먼트들의 기상 증착을 사용하여 제조되었지만, 애노드 층이 바람직한 바와 같이 임의의 편리하고 적당한 박막 제조 프로세스에 의해 만들어지는 것이 주의된다. 다른 애노드 재료들은 또한 사용될 수 있고, 원하는 바와 같이 제조될 수 있다. 또한, 층들은 상이한 순서, 예컨대 먼저 애노드, 그 다음 전해질, 그 다음 캐소드로 증착될 수 있다.Although each of the cathode, electrolyte and anode layers in this example is fabricated using vapor deposition of component elements on a heated substrate, it is noted that the anode layer is made by any convenient and suitable thin film fabrication process as desired. Other anode materials can also be used and can be manufactured as desired. The layers can also be deposited in a different order, such as first an anode, then an electrolyte, and then a cathode.
셀의 동작을 테스트하기 위하여, 콘택은 글러브 박스(glove box) 내의 2개의 핀 프로브들을 통해 이루어졌다. 충전 및 방전 측정들은 정전류-정전압(CC/CV) 기구를 사용하여 수행되었다.To test the operation of the cell, the contact was made through two pin probes in a glove box. Charge and discharge measurements were performed using a constant current-constant voltage (CC / CV) instrument.
도 12 및 도 13은 이들 측정들의 결과들을 도시한다. 도 8은 제 1 충전/방전 사이클들 동안 전압 및 전류 대 시간의 플롯을 도시한다. 곡선(86)은 셀 전위를 도시하고, 곡선(88)은 전류를 도시한다. 도 10은 제 1 50 사이클들에 걸쳐 방전 용량의 측정들을 도시한다. 셀은 제 1 10 사이클들에 걸쳐 용량의 최대를 나타냈고, 용량은 20 사이클들 후 안정화된다. 0.077 mA h의 최대 방전 용량은 사이클 2에서 관찰되었다(에 대응함). 이것은 애노드 제한 시스템에 기초하여 이론적 용량의 83%에 대응한다. 20 사이클들 후 용량은 애노드 제한 시스템에 기초하여 이론적 용량의 33%에 대응하는 0.015 mA h()로 강하하는 것을 관찰되었다. 용량은 이 레벨에서 안정되는 것으로 주의되었고 추가 29 사이클들 다음 용량은 0.016 mA h인 것으로 관찰되었다.12 and 13 show the results of these measurements. 8 shows a plot of voltage and current versus time during first charge / discharge cycles.
이것이, 캐소드, 전해질 및 애노드 층들 모두가 컴포넌트 엘리먼트들로부터 직접 박막 층들로서 증착되는 충분히 기능하는 박막 배터리의 제 1 보고된 입증이라는 것이 믿어진다.It is believed that this is the first reported demonstration of a fully functioning thin film battery in which the cathode, electrolyte and anode layers are all deposited as thin film layers directly from the component elements.
실험적 배터리 결과들: 225℃에서 증착된 Experimental Battery Results: Deposited at 225 ° C LMOLMO 캐소드Cathode
225℃의 기판 온도에서 증착되고 액체 전해질 하프 셀들 또는 고체 상태 풀(full) 셀들 어느 하나에 사용되는 의 주기적 볼타메트리 및 정전류/정전압(CC/CV) 측정들은, 본 발명의 실시예들에 따라 생성된 막들이 전기화학적으로 액티브하다는 것을 나타냈고, 용량들은 문헌에 설명된 것들과 유사하다.Deposited at a substrate temperature of 225 ° C. and used in either liquid electrolyte half cells or solid state full cells Periodic voltametry and constant current / constant voltage (CC / CV) measurements of showed that the films produced according to embodiments of the present invention are electrochemically active and the capacities are similar to those described in the literature.
박막 셀들에서 기능하도록 본 발명에 따라 증착된 박막들의 용량을 추가로 테스트하기 위하여, 리튬 망간 산화물(LMO)의 하프-셀은 225℃의 기판 온도를 사용하여, 별개의 기상 소스들로부터 적당한 비율로 리튬, 망간 및 산소를 동시-증착함으로써 생성되었다. 사용된 조건들은 테스트 샘플들을 증착함으로써 결정되었고, 레이저 삭마(ablation) 유도 결합 질량 분석법(ICPMS) 및 리튬 및 망간 소스들의 레이트들을 사용하여 결정된 컴포지션은 원하는 컴포지션의 증착을 위한 최적 조건들을 얻기 위하여 이에 따라 변경되었다. 300 nm의 두께를 가진 LMO는 2.25 mm2의 영역에 걸쳐 백금 패드 상에 증착되었고, 전해질로서 EC:DMC의 1 M LIPF6 = 1:1을 가진 하프 셀 및 카운터 전극으로서 리튬 금속으로 어셈블리된다.To further test the capacity of thin films deposited according to the present invention to function in thin film cells, the half-cell of lithium manganese oxide (LMO) was used at a suitable rate from separate gaseous sources, using a substrate temperature of 225 ° C. It was produced by co-depositing lithium, manganese and oxygen. The conditions used were determined by depositing test samples, and the composition determined using laser ablation inductively coupled mass spectrometry (ICPMS) and rates of lithium and manganese sources, accordingly to obtain optimal conditions for the deposition of the desired composition. Changed. An LMO with a thickness of 300 nm was deposited on the platinum pad over an area of 2.25 mm 2 and assembled into lithium metal as a half cell and counter electrode with 1 M LIPF 6 = 1: 1 of EC: DMC as electrolyte.
도 14는 4.3과 3.0 V 사이의 전위 윈도우 대 에서 0.1 내지 25 mV/s(0.2 내지 45 C) 범위의 다양한 레이트들에서 LMO 박막들의 방전 곡선들을 도시한다.Figure 14 shows the potential window between 4.3 and 3.0 V The discharge curves of the LMO thin films at various rates in the range of 0.1 to 25 mV / s (0.2 to 45 C).
도 15는 5.0과 3.0 V 사이의 전위 윈도우 대 에서 0.1 내지 25 mV/s(0.2 내지 45 C)의 다양한 레이트들에서 방전되는 LMO 박막들의 측정된 용량들을 도시한다.Figure 15 shows the potential window between 5.0 and 3.0 V Shows measured capacities of LMO thin films discharged at various rates of 0.1 to 25 mV / s (0.2 to 45 C).
이들 측정들로부터, 우리는, LMO 재료의 용량이 1 C의 충전 및 방전 레이트에서 또는 의 방전 용량을 가지는 것을 관찰한다. 충전 및 방전 시간들은 C-레이트들로서 표현되고 여기서 1C-레이트는 1 시간의 완전한 충전/방전에 대응하고; 'n' C-레이트는 1/n 시간들에서 셀을 충전/방전시킬 것이다. 보통, 배터리들은 상당히 느린 레이트들을 사용하여 충전 및 방전되고 레이트가 증가함에 따라 허용 가능한 용량이 감소한다. 실제로, "대부분의 상업적 셀들은 10 C 만큼 느리게 시작하는 레이트들에서 충전될 때 저장된 에너지의 몇 퍼센트만을 사용한다"(Braun, P.V., Current Opinion in Solid State Materials Science, 16, 4 (2012), 186-198). 이들 결과들은 다른 방법들을 사용하여 유사한 기판 온도들에서 증착되는 LMMO에 비해 개선이다. 200℃에서 RF- 스퍼터링에 의해 증착된 LMO 박막들은 의 방전 용량을 가지는 것으로 도시되었고(Jayanth et al. Appl Nanosci (2012) 2:401-407) 200℃에서 PLD에 의해 증착된 LMO는 의 방전 용량을 가지는 것을 도시되었다(Tang et al. J. Solid State Chemistry 179 (2006) 3831-3838). 실험은 0.1과 150 mV/s 사이의 스위프(sweep) 레이트들(0.2와 270 C 사이의 C 레이트들과 동일함)을 사용하여 3 및 5 V의 전위 제한들 사이의 주기적 볼타메트리를 사용하여 사이클링함으로써 증착된 LMO의 레이트 용량을 연구하기 위하여 수행되었다. 결과들은, 4.3과 3.0 V 사이의 전위 윈도우 대 에서 0.1 내지 25 mV/s(0.2 내지 45 C) 범위의 다양한 레이트들에서 박막들에 대한 스위프 레이트의 함수로서 용량들의 요약으로서 표 2에 도시된다.From these measurements, we find that the capacity of the LMO material is at a charge and discharge rate of 1 C. or It is observed to have a discharge capacity of. Charge and discharge times are expressed as C-rates, where 1C-rate corresponds to 1 hour of full charge / discharge; 'n' C-rate will charge / discharge the cell at 1 / n times. Usually, batteries are charged and discharged using significantly slower rates and the allowable capacity decreases as the rate increases. Indeed, "most commercial cells use only a few percent of the stored energy when charged at rates starting as slow as 10 C" (Braun, PV, Current Opinion in Solid State Materials Science, 16, 4 (2012), 186 -198). These results are an improvement over LMMO deposited at similar substrate temperatures using other methods. LMO thin films deposited by RF-sputtering at 200 ° C (Jayanth et al. Appl Nanosci (2012) 2: 401-407) and LMO deposited by PLD at 200 ° C. It has been shown to have a discharge capacity of (Tang et al. J. Solid State Chemistry 179 (2006) 3831-3838). The experiment uses periodic voltammetry between potential limits of 3 and 5 V using sweep rates between 0.1 and 150 mV / s (equivalent to C rates between 0.2 and 270 C). This was done to study the rate capacity of the deposited LMO by cycling. The results show the potential window between 4.3 and 3.0 V. At various rates ranging from 0.1 to 25 mV / s (0.2 to 45 C) It is shown in Table 2 as a summary of the capacities as a function of the sweep rate for thin films.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 방법들에 의해 증착된 LMO는 도 15에 도시된 바와 같이, 증가된 레이트들에서 사이클링될 때 우수한 사이클 능력 및 단지 중간 손실을 나타내고, 35 사이클들에 걸쳐 무시 가능한 용량 손실을 나타낸다. 사이클들 1-19에 걸쳐 평균 용량은 인 것으로 관찰되었다. 추가 15 사이클들 다음, 45 C까지의 레이트들에서 PVD LMO의 용량은 단지 까지 강하(3.2% 손실)하는 것으로 관찰되었다. 높은 레이트들(270 C)에서 사이클링될 때, PVD에 의해 증착된 LMO는 용량의 단지 중간의 손실들을 나타내고; 표 2를 보라. 이들 손실들은 다른 수단에 의해 증착된 LMO에서 관찰된 것들보다 상당히 작다. 예컨대, Chen 등(Thin Solid Films 544 (2013) 182-185)은 높은 레이트 성능 LMO를 주장한다. 이 경우 LMO는 45 C에서 사이클링될 때 기껏 자신의 초기 용량의 단지 22%(0.2 C에서)를 나타낸다. 직접 비교시, 본 발명에 의해 증착된 LMO는 자신의 용량의 30%를 유지한다. 높은 레이트들에서 LMO의 용량을 액세스할 수 있는 것은, 재료가 높은 파워의 짧은 버스트(burst)들을 요구하는 애플리케이션들에 유용하다는 것을 의미한다.Thus, the LMO deposited by the methods according to embodiments of the present invention exhibits excellent cycle capability and only moderate loss when cycled at increased rates, as shown in FIG. 15, ignored over 35 cycles. Indicates a possible capacity loss. The average capacity over cycles 1-19 is Was observed. After an additional 15 cycles, the capacity of the PVD LMO at rates up to 45 C is only It was observed to fall (3.2% loss). When cycled at high rates 270 C, the LMO deposited by PVD exhibits only moderate losses of capacity; See Table 2. These losses are considerably smaller than those observed in LMO deposited by other means. For example, Chen et al. (Thin Solid Films 544 (2013) 182-185) insist on high rate performance LMO. In this case, LMO represents only 22% (at 0.2 C) of its initial dose when cycled at 45 C. In direct comparison, the LMO deposited by the present invention maintains 30% of its capacity. Being able to access the capacity of the LMO at high rates means that the material is useful for applications that require short bursts of high power.
하프-셀로부터의 이들 결과들은, 본 발명의 실시예들에 따른 비정질 전해질 층이 증착된 LMO 캐소드를 포함하는 배터리가 우수한 성능을 제공할 것이라는 것을 나타낸다.These results from the half-cell indicate that a battery comprising an LMO cathode on which an amorphous electrolyte layer according to embodiments of the present invention is deposited will provide excellent performance.
도 16은 본 발명에 따라 225℃의 기판 온도에서 증착된 LMO 캐소드를 포함하는 고체 상태 셀들 상에서 CC/CV 실험들로부터의 방전 곡선들을 도시한다. 셀들은 4.0과 2.5 V 사이의 전위 윈도우 대 에서 1 내지 45 C 범위의 다양한 레이트들에서 방전되었다. 셀들은 1mm2의 영역을 가졌고 초고도 진공에서 물리적 기상 증착에 의해 완전히 증착되었고, 이때 LMO 캐소드들 및 리튬 붕규산염 전해질들은 본 발명의 실시예에 따라 증착된다. 300 nm의 LMO 캐소드는 10 nm의 및 100 nm의 Pt로 코팅된 사파이어 기판상에 리튬, 망간 및 산소 소스들로부터 직접 증착된다. 기판의 온도는 캐소드 증착에 걸쳐 225℃에서 유지되고, 이는 적소의 열전쌍에 의해 모니터링된다. 리튬 붕규산염을 포함하는 고체 상태 전해질은 800 nm의 두께를 제공하기 위하여 225℃에서 리튬, 붕소, 실리콘 및 산소 소스들로부터 직접 증착된다. 애노드는 10 nm의 두께를 제공하기 위하여 225℃에서 일단 다시 주석 및 산소로부터 직접 증착되었다. 이들 증착들은 동일한 진공 챔버 내에서 번갈아 수행되었다. 니켈 전류 컬렉터는 층의 완성 다음, 그리고 샘플이 실온(17℃로 냉각된 후) PVD에 의해 증착되었다.FIG. 16 shows the discharge curves from CC / CV experiments on solid state cells comprising an LMO cathode deposited at a substrate temperature of 225 ° C. in accordance with the present invention. The cells have a potential window between 4.0 and 2.5 V At various rates ranging from 1 to 45 C. The cells had an area of 1 mm 2 and were fully deposited by physical vapor deposition in ultrahigh vacuum, where LMO cathodes and lithium borosilicate electrolytes were deposited according to an embodiment of the present invention. 300 nm LMO cathode is 10 nm And deposited directly from lithium, manganese and oxygen sources on a sapphire substrate coated with 100 nm of Pt. The temperature of the substrate is maintained at 225 ° C. throughout the cathode deposition, which is monitored by the thermocouple in place. Solid state electrolytes comprising lithium borosilicate are deposited directly from lithium, boron, silicon and oxygen sources at 225 ° C. to provide a thickness of 800 nm. The anode was deposited directly from tin and oxygen once again at 225 ° C. to provide a thickness of 10 nm. These depositions were performed alternately in the same vacuum chamber. Nickel current collector Following completion of the layer, the sample was deposited by PVD at room temperature (after cooling to 17 ° C.).
따라서, 모두 3개의 캐소드, 전해질 및 애노드 층들은 각각의 층의 증착을 위해 동일한 기판 온도로 그들의 컴포넌트 엘리먼트들의 기상 소스들로부터 직접 증착되었고, 이는 진정으로 등온 배터리 제조를 나타낸다. 이것은 상이한 층들에 대해 상이한 온도들에서 상이한 증착 기술을 사용하고, 통상적으로 어닐링 같은 다른 프로세싱 단계들을 요구하는 종래의 배터리 제조에 비해 매우 유리하다.Thus, all three cathode, electrolyte and anode layers were deposited directly from the vapor sources of their component elements at the same substrate temperature for the deposition of each layer, which truly represents isothermal battery fabrication. This is very advantageous over conventional battery manufacturing, which uses different deposition techniques at different temperatures for different layers and typically requires other processing steps such as annealing.
도 16에서 알 수 있는 바와 같이, 1 C에서 사이클링될 때 이들 셀들의 초기 용량은 와 동일한 이고; 이는 LMO 및 를 가지며 액체 전해질을 사용하는 셀의 이전 설명과 비교될 때 상당한 개선을 도시하고, 여기서 밸런싱된 셀에 대해 10 의 방전 용량들이 보고되었다(Park, Y. J. et al., J. Power Sources, 88, (2000), 250-254). 결과들은, 셀이 높은 레이트들에서 기능할 수 있다는 것을 나타내고, 45 C까지의 레이트들이 보여진다. 높은 레이트들은 파워의 짧은 버스트들이 요구되는 높은 파워 애플리케이션들에 대해 필요하다.As can be seen in FIG. 16, the initial capacity of these cells when cycled at 1 C is Same as ego; This is LMO and And a significant improvement when compared to the previous description of a cell using a liquid electrolyte, wherein 10 for a balanced cell Discharge capacities have been reported (Park, YJ et al., J. Power Sources, 88, (2000), 250-254). The results indicate that the cell can function at high rates and rates up to 45 C are shown. High rates are needed for high power applications where short bursts of power are required.
도 17은 하나의 셀의 50 사이클들의 과정에 걸쳐 방전 용량의 플롯 형태로 이들 셀들에 대한 추가 실험 결과들을 도시한다. 셀은 4.0과 2.5 V 사이에서 1 C의 레이트로 충전 및 방전되었다. 초기 용량 손실은 제 1 20 사이클들 동안 관찰되었지만, 이후 용량 유지는 상당히 우수하고 재충전 가능 셀이 생성되는 것을 나타낸다.17 shows further experimental results for these cells in the form of a plot of discharge capacity over the course of 50 cycles of one cell. The cell was charged and discharged at a rate of 1 C between 4.0 and 2.5 V. Initial capacity loss was observed during the first 20 cycles, but then capacity retention is quite good and indicates that a rechargeable cell is produced.
실험 배터리 결과들: 350℃에서 증착된 Experimental Battery Results: Deposited at 350 ° C LMNOLMNO 캐소드Cathode
LMO와 동일한 방식으로, 350℃의 기판 온도에서 본 발명의 실시예들에 따라 증착된 LMNO는 전기 화학적으로 액티브인 것으로 나타났다.In the same manner as LMO, LMNO deposited according to embodiments of the present invention at a substrate temperature of 350 ° C. has been shown to be electrochemically active.
리튬 망간 니켈 산화물(LMNO)의 하프 셀은 350℃의 기판 온도에서 적당한 비율로 리튬, 망간, 니켈 및 산소를 동시-증착하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 방법을 사용함으로써 생성되었다. 실리콘/실리콘 질화물 기판 및 백금 패드들로 구성된 전기 화학적 어레이는 이 경우에 기판으로서 사용되었다. 하프 셀은 전해질로서 EC:DMC = 1:1의 1 및 카운터 전극으로서 리튬 금속을 사용하여 완성되었다.Half cells of lithium manganese nickel oxide (LMNO) were produced by using the method according to an embodiment of the present invention to co-deposit lithium, manganese, nickel and oxygen at an appropriate rate at a substrate temperature of 350 ° C. An electrochemical array consisting of silicon / silicon nitride substrates and platinum pads was used as the substrate in this case. Half-cell is an electrolyte of EC: DMC = 1: 1 And lithium metal as a counter electrode.
도 18은 제 1 사이클에 걸쳐 이 셀 상에서 수행된 주기적 볼타메트리의 결과들을 도시한다. 이들 측정들은 3과 5 V 사이의 1의 스위프 레이트로 수행되었고, 이는 1.8 C의 동일한 충전 레이트를 제공한다. 피크들은 4.1 V 및 4.7 V에서 충전 동안 명확하게 보여질 수 있고, 이는 막들에 및 양쪽의 존재를 가리킨다. 이로부터, 컴포지션 (여기서 는 0과 0.5 사이임)을 가지는 산소 결함 LMNO가 생성되었다는 것이 추정되었다.18 shows the results of the periodic voltametry performed on this cell over a first cycle. These measurements are between 1 and 3 V Was performed at a sweep rate of, which gives the same charge rate of 1.8 C. Peaks can be clearly seen during charging at 4.1 V and 4.7 V, which can And Indicates the presence of both. From this, the composition (here Was estimated to produce an oxygen defect LMNO having a value between 0 and 0.5).
도 19는 대응하는 방전 곡선을 도시한다. 이로부터, 액체 전해질에서 LMNO 대 Li의 이런 하프 셀에 대한 방전 용량이 53 이고, 이는 에 대해 이론적 용량의 36%이다.19 shows the corresponding discharge curve. From this, the discharge capacity for this half cell of LMNO versus Li in the liquid electrolyte is 53 , Which is For 36% of theoretical capacity.
부가적으로, 350℃의 기판 온도에서 본 발명의 실시예에 따라 증착된 LMNO 캐소드를 가진 풀 고체 상태 셀은 제조되었고 테스트되었다. 이 셀은 물리적 기상 증착에 의해 완전히 증착되었다. LMNO 캐소드는 10 nm의 및 100 nm의 백금으로 코팅되고 증착에 걸쳐서 350℃로 유지되는 사파이어 기판상에 리튬, 망간, 니켈 및 산소 소스들로부터 직접 증착되었고 적소의 열전쌍으로부터 모니터링된다. 리튬 붕규산염의 고체 상태 전해질은 225℃에서 리튬, 붕소, 실리콘 및 산소 소스들로부터 직접 증착되었다. 기판은 캐소드와 전해질의 증착 사이에서 제어 가능하게 냉각되었다. 애노드는 일단 다시 225℃에서 주석 및 산소 기상 소스로부터 직접 증착되었다. 이들 증착들은 동일한 진공 챔버 내에서 교대로 수행되었다. 층의 완성 다음 그리고 샘플이 실온(17℃)으로 냉각되면, 니켈 전류 컬렉터는 증착된다(PVD에 의해).Additionally, a full solid state cell with LMNO cathode deposited in accordance with an embodiment of the present invention at a substrate temperature of 350 ° C. was prepared and tested. This cell was completely deposited by physical vapor deposition. LMNO cathode is 10 nm And deposited directly from lithium, manganese, nickel and oxygen sources on a sapphire substrate coated with 100 nm platinum and maintained at 350 ° C. throughout the deposition and monitored from the thermocouple in place. The solid state electrolyte of lithium borosilicate was deposited directly from lithium, boron, silicon and oxygen sources at 225 ° C. The substrate was controllably cooled between the deposition of the cathode and the electrolyte. The anode was once deposited directly from the tin and oxygen gas source again at 225 ° C. These depositions were performed alternately in the same vacuum chamber. Following completion of the layer and when the sample is cooled to room temperature (17 ° C.), a nickel current collector is deposited (by PVD).
따라서, 모두 3개의 캐소드, 전해질 및 애노드 층들은 증착 프로세스에 걸쳐 단지 125℃의 기판 온도 범위를 사용하여 그들의 컴포넌트 엘리먼트들의 기상 소스들로부터 직접 증착되었다. 이것은 대략 등온 배터리 제조를 나타내고, 이는 다시 종래의 박막 배터리 제조 기술들에 비교될 때 매우 유리하다. 각각의 층에 대한 기판 온도에 대한 작은 조절들은, 여전히 단일 제조 절차가 전체 배터리에 사용되게 하면서 증착이 각각의 재료에 대해 최적화되게 할 수 있다.Thus, all three cathode, electrolyte and anode layers were deposited directly from the vapor sources of their component elements using a substrate temperature range of only 125 ° C. throughout the deposition process. This represents approximately isothermal battery manufacturing, which in turn is very advantageous when compared to conventional thin film battery manufacturing techniques. Small adjustments to substrate temperature for each layer can allow deposition to be optimized for each material while still allowing a single manufacturing procedure to be used for the entire battery.
도 20은 글러브 박스에서 5.0 V와 3.0 V 사이에서 사이클링될 때, 제 1 사이클 형태에서 이 셀상에서의 CC/CV 실험들로부터 충전 및 방전 곡선들을 도시한다. 이 경우 초기 방전 용량은 캐소드의 이론적 용량의 62%만큼 높고, 40.9 와 동일하다. 비록 LMNO가 이 예에서 350℃에서 증착되었지만, 150℃만큼 낮은 기판 온도에서 이런 방법을 사용하여 증착된 LMNO의 XRD는 막들이 결정화되는 것을 도시한다. 그러므로, 150℃에서 그리고 그 초과의 온도들에서 증착된 LMNO를 포함하는 박막 셀들이 성공적으로 생성될 수 있다는 것이 예상될 수 있다.FIG. 20 shows charge and discharge curves from CC / CV experiments on this cell in the first cycle form when cycled between 5.0 V and 3.0 V in the glove box. The initial discharge capacity in this case is as high as 62% of the theoretical capacity of the cathode, 40.9 Is the same as Although LMNO was deposited at 350 ° C. in this example, the XRD of LMNO deposited using this method at a substrate temperature as low as 150 ° C. shows that the films crystallize. Therefore, it can be expected that thin film cells comprising LMNO deposited at 150 ° C. and above temperatures can be produced successfully.
실험 결과들: 열적으로 호환 가능 재료들을 Experimental Results: Thermally Compatible Materials 스택하는Stacking 것의 설명 Description of the thing
상기 언급된 바와 같이, 박막 배터리들을 제조할 때 문제점은 비정질 전해질 같은 컴포넌트 층들 중 일부가 높은 온도들에 노출되지 않아야 할 때, 캐소드 층을 결정하기 위한 어닐링 같은 높은 온도들을 수반하는 단계들을 관리하는 방법이다. 단일 셀에서, 이것은 때때로 적당한 순서로 층들을 증착함으로써, 예컨대 캐소드 위에 전해질을 증착하기 전에 캐소드 층을 증착 및 어닐링함으로써 관리될 수 있다. 그러나, 열 노출을 회피할 필요가 있는 모든 층들을 증착하기 전에 열 처리를 필요로 하는 모든 층을 증착할 수 있는 가능성이 통상적으로 층들의 수에 따라 감소할 것이기 때문에, 이런 해결책은 디바이스의 층들의 수가 증가할 때 덜 타당하게 된다. 예컨대, 2 또는 그 초과의 셀들의 스택팅은 실현 가능하지 않은데, 그 이유는 제 2 및 임의의 추후 셀들의 캐소드들이 제 1 및 임의의 다른 이전 셀들의 전해질들 위에 증착되어야 할 것이기 때문이다. 따라서, 종래의 증착 기술들을 사용하여 다수의 층진 박막 구조들의 제조는 매우 어렵고, 몇몇 경우들에서 가능하지 않다.As mentioned above, a problem when manufacturing thin film batteries is a method of managing steps involving high temperatures, such as annealing to determine the cathode layer, when some of the component layers such as amorphous electrolyte should not be exposed to high temperatures. to be. In a single cell, this can sometimes be managed by depositing the layers in the proper order, such as by depositing and annealing the cathode layer prior to depositing the electrolyte on the cathode. However, since the likelihood of depositing all layers requiring heat treatment will typically decrease with the number of layers before depositing all the layers that need to be avoided, such a solution may be necessary. As the number increases, it becomes less valid. For example, stacking of two or more cells is not feasible because the cathodes of the second and any subsequent cells will have to be deposited over the electrolytes of the first and any other previous cells. Thus, fabrication of multiple layered thin film structures using conventional deposition techniques is very difficult and in some cases not possible.
본 발명은 이런 문제에 대한 해결책을 제공한다. 다양한 양쪽 결정질 및 비정질 화합물들의 층들의 등온 또는 준-등온 증착을 수행하기 위한 능력은 많은 층들이 임의의 이전 층의 특징 및 품질에 영향을 주는 임의의 층의 제조 없이 만들어지게 한다. 많은 다층 구조들 및 디바이스들의 제조는 가능하게 된다.The present invention provides a solution to this problem. The ability to perform isothermal or quasi-isothermal deposition of layers of various both crystalline and amorphous compounds allows many layers to be made without the manufacture of any layer that affects the characteristics and quality of any previous layer. The manufacture of many multilayer structures and devices is made possible.
이를 설명하기 위하여, 셀들의 어레이가 증착되었다. 상기 설명된 캐소드/전해질/애노드/전류 컬렉터 구조들에 더하여, 추가 셀들의 어레이가 상단에 증착되었다. 이 경우, 제 2 셀들의 캐소드 층들은 아래 놓인 셀의 전류 컬렉터 층 위에 직접 증착되었다. 이것은 제 1 셀의 상단 상에 제 2 셀을 가진 재료들의 스택을 생성하였다. 이 구조는 상기 설명된 물리적 기상 증착 방법을 사용하여, 층들 사이에 온도의 약간의 작은 변화들과 함께, 기판 또는 이전에 증착된 층 위에 직접 기상 소스들로부터의 다양한 화합물들의 컴포넌트 엘리먼트들의 증착으로 완전히 생성되었다. 마스킹 방식은 구조를 생성하기 위하여 사용되었고, 단일의 아래 놓인 제 1 셀의 상단 상에 제 2 셀들의 어레이를 정의한다. 아래 놓인 셀에 대해, 제 1 LMO 캐소드는 캐소드 전류 컬렉터로서 10 nm의 및 100 nm의 백금이 코팅된 사파이어 기판상에 리튬, 망간 및 산소 소스들로부터 직접 증착되었다. 기판의 온도는 증착에 걸쳐 350℃로 유지되고, 이는 적소의 열전쌍에 의해 모니터된다. 그 다음, 리튬 붕규산염을 포함하는 고체 상태 전해질은 225℃의 기판 온도로 리튬, 붕소, 실리콘 및 산소 소스들로부터 직접 증착되었다. 애노드는 주석 및 산소 소스들로부터 직접 증착되었고, 기판은 다시 225℃로 유지된다. 니켈 전류 컬렉터는 층의 완성 다음 그리고 샘플이 실온(17℃)으로 냉각된 후 증착되었다(PVD에 의해). 이 다음, 제 2 셀들의 어레이가 증착되었고, 마스크에 의해 정의된 정렬이 뒤따른다. 각각에 대해, 제 2 LMO 캐소드는 350℃의 기판 온도로 제 1 셀의 니켈 전류 컬렉터 상에 리튬, 망간 및 산소 소스들로부터 직접 증착되었다. 그 다음 제 2 리튬 붕규산염 고체 전해질 층은 225℃의 기판 온도로 리튬, 붕소, 실리콘, 및 산소 소스들을 사용하여 엘리먼트들로부터 직접 증착되었다. 애노드는 일단 다시 225℃에서 주석 및 산소로부터 직접 증착되었고, 상단 니켈 전류 컬렉터는 샘플이 실온(17℃)으로 냉각된 후 증착되었다(PVD에 의해). 따라서, 상부 셀들은 하부 셀과 동일한 방식으로 증착되었고, 상부 셀들의 증착 프로세스는 준-등온 절차 내에서 작은 범위의 온도들로 인해 하부 셀들의 층들상에 해로운 효과를 가지지 않는다. 이들 증착들은 동일한 진공 챔버 내에서 교대로 수행되었다.To illustrate this, an array of cells was deposited. In addition to the cathode / electrolyte / anode / current collector structures described above, an array of additional cells was deposited on top. In this case, the cathode layers of the second cells were deposited directly over the current collector layer of the underlying cell. This produced a stack of materials with a second cell on top of the first cell. This structure is fully utilized with the deposition of component elements of various compounds directly from vapor sources on a substrate or previously deposited layer, with slight minor changes in temperature between the layers, using the physical vapor deposition method described above. Generated. Masking schemes were used to create the structure and define an array of second cells on top of a single underlying first cell. For the underlying cell, the first LMO cathode is 10 nm as cathode current collector. And deposited directly from lithium, manganese and oxygen sources on a 100 nm platinum coated sapphire substrate. The temperature of the substrate is maintained at 350 ° C. throughout the deposition, which is monitored by a thermocouple in place. The solid state electrolyte comprising lithium borosilicate was then deposited directly from lithium, boron, silicon and oxygen sources at a substrate temperature of 225 ° C. The anode was deposited directly from the tin and oxygen sources and the substrate was again maintained at 225 ° C. Nickel current collector Following completion of the layer and the sample was cooled to room temperature (17 ° C.) and deposited (by PVD). Next, an array of second cells was deposited, followed by the alignment defined by the mask. For each, a second LMO cathode was deposited directly from lithium, manganese and oxygen sources on the nickel current collector of the first cell at a substrate temperature of 350 ° C. The second lithium borosilicate solid electrolyte layer was then deposited directly from the elements using lithium, boron, silicon, and oxygen sources at a substrate temperature of 225 ° C. The anode was deposited directly from tin and oxygen once again at 225 ° C. and the top nickel current collector was deposited (by PVD) after the sample had cooled to room temperature (17 ° C.). Thus, the upper cells were deposited in the same manner as the lower cell, and the deposition process of the upper cells had no detrimental effect on the layers of the lower cells due to the small range of temperatures within the quasi-isothermal procedure. These depositions were performed alternately in the same vacuum chamber.
도 21(a)는 다양한 층들이 보이는 이런 2개의 셀 스택의 SEM 이미지를 도시한다. 이미지는 상단 우측 모서리에 사파이어 기판(D0)을 도시하고, 2개의 셀들은 그 위에 증착된다. 백금 전류 컬렉터 층은 D1에 의해 표시된다. 이 층은 100 nm 두께이고 기판 프로세싱의 부분으로서 증착된다. LMO를 포함하는 제 1 캐소드 층은 D2에 의해 표시되고 314 nm 두께이다. 리튬 붕규산염(LBSO)을 포함하는 제 1 고체 상태 전해질 층은 D4에 의해 표시되고 418 nm 두께이다. 주석 산화물 층 애노드는 SEM에 의해 설명하기에 너무 얇고(대략 8 nm), 따라서 표시되지 않는다. 니켈 전류 컬렉터 및 2차 캐소드 층, 다시 LMO는 D3에 의해 표시된다. 제 2 고체 상태 전해질 층, 다시 LBSO는 D5에 의해 표시되고, 마지막으로, 결합된 층(제 2 애노드) 및 제 2 니켈 전류 컬렉터 층은 D6에 의해 표시된다.21 (a) shows an SEM image of this two cell stack with various layers visible. The image shows the sapphire substrate D0 in the upper right corner, and two cells are deposited thereon. The platinum current collector layer is represented by D1. This layer is 100 nm thick and deposited as part of the substrate processing. The first cathode layer comprising the LMO is denoted by D2 and is 314 nm thick. The first solid state electrolyte layer comprising lithium borosilicate (LBSO) is represented by D4 and is 418 nm thick. The tin oxide layer anode is too thin (approximately 8 nm) to be explained by SEM and is therefore not shown. The nickel current collector and the secondary cathode layer, again LMO, are represented by D3. The second solid state electrolyte layer, again LBSO, is represented by D5, and finally, bound The layer (second anode) and the second nickel current collector layer are represented by D6.
도 21(b)는 다양한 층들을 더 잘 표시하기 위하여, SEM 이미지의 개략도를 도시한다. 상이한 층들은 그들의 대응하는 재료들이 라벨링된다.21 (b) shows a schematic of the SEM image, in order to better display the various layers. Different layers are labeled with their corresponding materials.
SEM 이미지들은 명확하고 잘-정의된 구조의 층들을 도시하고, 이는 스택된 셀들의 층이 층들의 상당한 붕괴 없이 본 발명의 실시예에 따른 방법을 사용하여 달성될 수 있다는 것을 나타낸다. 이것은 다층 및 스택된 디바이스들의 간단한 제조 가능성을 연다. 주의할 중요한 피처는, 본 증착 방법이 생성하는 부드러운 표면으로부터 발생하는 층들 사이의 명백한 인터페이스들이다. 이것은, 표면 피처들이 층들을 가로질러 돌출하지 않기 때문에 더 얇은 층들의 사용을 허용하고, 이는 더 작은 디바이스들, 증착 및 전체 디바이스 제조를 위해 감소된 재료 비용들 및 감소된 시간들을 제공한다.SEM images show layers of a clear and well-defined structure, indicating that the layer of stacked cells can be achieved using the method according to an embodiment of the present invention without significant collapse of the layers. This opens up the possibility of simple fabrication of multilayer and stacked devices. An important feature to note is the obvious interfaces between the layers resulting from the smooth surface that the present deposition method produces. This allows the use of thinner layers as the surface features do not protrude across the layers, which provides reduced material costs and reduced times for smaller devices, deposition and overall device fabrication.
도 22는 도 21에 도시된 셀 스택상에서 수집된 X-선 회절 데이터의 플롯을 도시한다. 이들 결과들은, 비정질 전해질을 가진 이미 존재하는 셀상에 2 시간 동안 350℃에서 LMO 캐소드의 증착을 포함하는 다른 스택상에 하나의 스택의 순차적 증착이 고체 상태 전해질의 결정화를 유발하지 않는 것을 나타낸다. 관찰된 유일한 결정질 컴포넌트들(그래프에서 피크들에 의해 표시됨)은 백금(기판 내), 니켈(전류 컬렉터들), (사파이어 기판), (결정질 캐소드), 및 리튬 탄산염, 의 컴포넌트들이다. 참조 라인들은 다음과 같이 상이한 피크들을 나타내기 위하여 그래프 상에 포함된다: 백금(00-004-0802), 심볼 "^"; 니켈(00-004-0850), 심볼 "+"; 사파이어()(00-010-0173); (00-035-0782), 심볼 "*"; 및 (00-022-1141) 심볼 "!". 결정질 리튬 탄산염은, 고체 상태 전해질이 공기에 노출될 때 발생하는 것으로 주의되고; 그러므로 이 데이터는 위에 놓인 애노드 및 전류 컬렉터들에 의해 보호되지 않은 고체 상태 전해질의 구역들로부터 발생한다.FIG. 22 shows a plot of X-ray diffraction data collected on the cell stack shown in FIG. 21. These results indicate that sequential deposition of one stack on another stack, including the deposition of an LMO cathode at 350 ° C. for 2 hours on an already existing cell with an amorphous electrolyte, does not cause crystallization of the solid state electrolyte. The only crystalline components observed (indicated by the peaks in the graph) are platinum (in substrate), nickel (current collectors), (Sapphire substrate), (Crystalline cathode), and lithium carbonate, Are the components of. Reference lines are included on the graph to indicate different peaks as follows: platinum (00-004-0802), symbol "^"; Nickel (00-004-0850), symbol "+"; Sapphire( ) (00-010-0173); (00-035-0782), symbol "*"; And (00-022-1141) The symbol "!". It is noted that crystalline lithium carbonate occurs when the solid state electrolyte is exposed to air; This data therefore arises from zones of the solid state electrolyte which are not protected by the overlying anode and current collectors.
LMO는 이런 2개의 스택 예에서 350℃로 증착된다. 그러나, 150℃만큼 낮은 기판 온도들에서 증착된 LMO의 X-선 회절 측정들은 막들이 결정될 것을 도시하고(도 7 참조), 따라서 150℃ 또는 그 초과의 온도들에서 증착된 LMO를 포함하는 박막 셀이 성공적으로 사이클링될 것이라는 것이 예상될 수 있다. 유사하게, LMNO에 대해 상기 제시된 결과들은 유사한 범위의 기판 온도들에 걸쳐 결정화를 도시하고, 따라서 이 재료는 또한 캐소드에 사용될 수 있다.LMO is deposited at 350 ° C. in these two stack examples. However, X-ray diffraction measurements of LMO deposited at substrate temperatures as low as 150 ° C. show that the films are to be determined (see FIG. 7), and thus a thin film cell comprising an LMO deposited at temperatures of 150 ° C. or higher. It can be expected that this will cycle successfully. Similarly, the results presented above for LMNO show crystallization over a similar range of substrate temperatures, so this material can also be used for the cathode.
도 23은 다양한 층들의 어레인지먼트를 더 잘 예시하기 위하여, 2개의 셀 스택의 개략 측면도를 도시한다. 스택(90)은 하부 셀(90A), 및 하부 셀(90A)의 상단 상에 서로 인접한 상단 셀들(90B)의 어레이를 포함하고, 이 모두는 사파이어 기판(92)상에 배열되고, 사파이어 기판(92)의 백금 코팅은 전류 컬렉터 층(94)을 형성한다. 하부 셀(90A)에는 LMO 캐소드(94), LBSO 전해질(98), 애노드(100)가 있다. 각각의 상부 셀(90B)은 니켈 전류 컬렉터(102), LMO 캐소드(104), LBSO 전해질(108), 애노드(108) 및 니켈 전류 컬렉터(110)를 포함한다.23 shows a schematic side view of two cell stacks to better illustrate the arrangement of the various layers. The
도 24는 6V로 충전된 단일 셀에 대한 방전 곡선(점선 곡선)에 비교되는 7V(실 곡선)으로 충전한 후 2개의 스택 셀에 대한 방전 곡선을 도시한다. 이들 측정들로부터, 단일 셀에 대해 LMO/ 화학물에 대응하는 방전 전위가 모두 3.75 V 미만이고, 셀이 6 V만큼 높은 전위로 충전될 때에도 용량이 4 V를 초과하지 않는 것이 관찰되는 것을 명확하게 알 수 있다. 셀들이 직렬로 연결될 때 전위가 단일 셀 전위들의 부가에 의해 증가되는 것이 잘 알려져 있다. 셀들이 직렬로 연결되는 경우 2개의 스택 셀에 대한 방전 곡선은 4 V를 초과하는 전위들에서 전달되는 용량의 상당 부분을 가진 단일 셀에 비교될 때 전위의 증가를 나타내고, 이에 의해 양쪽 셀들이 전체 전위에 기여하는 것을 제공하는 것을 나타낸다.FIG. 24 shows the discharge curves for two stack cells after charging to 7V (real curve) compared to the discharge curve (dashed curve) for a single cell charged to 6V. From these measurements, LMO / for a single cell It can be clearly seen that the discharge potentials corresponding to the chemicals are all less than 3.75 V and the capacity does not exceed 4 V even when the cell is charged to a potential as high as 6 V. It is well known that the potential is increased by the addition of single cell potentials when the cells are connected in series. When the cells are connected in series, the discharge curves for the two stack cells show an increase in potential when compared to a single cell with a significant portion of the capacity delivered at potentials above 4 V, whereby both cells become full To provide a contribution to the potential.
온도Temperature
상기 제시된 다양한 결과들로부터, 약 170℃, 약 180℃ 내지 350℃에 걸쳐 있는 기판 온도 범위가 있고, 이 때문에 양쪽 비정질 리튬-함유 산화물 및 산질화물 화합물들 및 결정질 리튬-함유 전이 금속 화합물들이 증착될 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 이 온도 범위 내에서 동작은, 거의 온도를 조절하지 않거나 아예 조절하지 않고 단일 제조 프로세스에서 상이한 재료들의 다수의 층들의 증착을 허용한다. 모든 층들에 대해 단일 온도에서 동작은 "등온"으로서 지칭될 수 있는 반면, 약 170℃ 또는 그 미만에 걸친 온도 범위 내에서의 동작은 "준-등온"으로서 고려될 수 있다. 이 용어는, 프로세스가 종래의 기술들을 사용하여 이들 재료들의 층들을 생성하기 위하여 통상적으로 요구되는 온도들의 범위와 비교될 때 합리적인 설명이다. 비정질 화합물들은 일반적으로 실온(말하자면 17℃와 25℃ 사이)에서 준비되는 반면, 높은 온도 기판상에서 어닐링 및 증착 중 어느 하나 또는 둘 다에 의한 결정질 화합물들을 생성하기 위한 온도들은 통상적으로 적어도 500℃이다. 따라서, 본 발명에 따른 170℃의 범위는, 통상적으로 475℃ 또는 그 초과의 공지된 범위에 비교될 때 "준-등온"이다.From the various results presented above, there is a substrate temperature range spanning about 170 ° C., about 180 ° C. to 350 ° C., whereby both amorphous lithium-containing oxide and oxynitride compounds and crystalline lithium-containing transition metal compounds are deposited. It can be seen that. Therefore, operation within this temperature range allows for the deposition of multiple layers of different materials in a single manufacturing process with little or no temperature control. Operation at a single temperature for all layers may be referred to as “isothermal”, while operation within a temperature range over about 170 ° C. or less may be considered as “quasi-isothermal”. This term is a reasonable explanation when the process is compared to the range of temperatures typically required to produce layers of these materials using conventional techniques. Amorphous compounds are generally prepared at room temperature (ie between 17 ° C. and 25 ° C.), while the temperatures for producing crystalline compounds by either or both of annealing and deposition on a high temperature substrate are typically at least 500 ° C. Thus, the range of 170 ° C. according to the present invention is typically “quasi-isothermal” when compared to known ranges of 475 ° C. or higher.
물론, 170℃보다 작은 온도들의 범위가 사용될 수 있고, 그 범위는 프로세스 전체를 최적화하기 위하여 선택된다. 예컨대, 25℃ 또는 50℃의 작은 온도 범위는 가열 컴포넌트에 대해 더 작은 요구를 두고, 기판이 각각의 요구된 온도에 도달하기 위하여 상이한 층들을 증착하는 것 사이에 더 적은 시간을 요구한다. 이들 이익들은 물론, 모든 층들에 대해 일정한 온도를 사용하는 것에 또한 적용된다. 75℃, 100℃ 또는 150℃ 같은 더 큰 범위는 다른 환경들, 예컨대 결정 사이즈를 증가시키기 위하여 결정질 재료에 대해 더 높은 온도를 사용하는 동안 에너지를 절약하기 위하여 비정질 재료에 대한 온도를 낮게 유지하는 것에 바람직할 수 있다. 예컨대, 상기 예들 중 일부는 350℃로 증착된 캐소드 및 225℃로 증착된 전해질을 포함하고, 75℃의 범위를 제공한다. 다양한 범위들은 다른 상부 및 하부 온도들에 또한 적용할 수 있다.Of course, a range of temperatures less than 170 ° C. may be used, and the range is chosen to optimize the process as a whole. For example, a small temperature range of 25 ° C. or 50 ° C. places smaller demands on the heating component and requires less time between the substrate depositing different layers to reach each desired temperature. These benefits also apply, of course, to using a constant temperature for all layers. Larger ranges, such as 75 ° C., 100 ° C. or 150 ° C., are directed to keeping the temperature low for amorphous materials in order to save energy while using higher temperatures for crystalline materials to increase crystal size. It may be desirable. For example, some of the examples include a cathode deposited at 350 ° C. and an electrolyte deposited at 225 ° C. and provide a range of 75 ° C. FIG. Various ranges may also apply to other upper and lower temperatures.
추가 재료들Additional materials
이제까지, 비정질 리튬 붕규산염 및 질소-도핑 리튬 붕규산염 및 결정질 LMO 및 LMNO의 제조가 상세히 설명되었다. 그러나, 본 발명은 이들 재료들로 제한되지 않고, 가열된 기판상에 직접 컴포넌트 엘리먼트들의 증착 프로세스는 다른 리튬 함유 산화물 및 산질화물 화합물들의 생성에 적용 가능하다. 추가 예들은 리튬 규산염 및 리튬 붕산염들, 및 게르마늄, 알루미늄, 비소 및 안티몬 같은 다른 유리-형성 엘리먼트들을 포함하는 화합물들을 포함한다. 비정질 산화물들 및 산질화물들은 본 발명에 따른 방법들에 의해 준비될 수 있을 것으로 예상될 수 있는데, 그 이유는 이원 산화물들의 화학물이 삼원 산화물/산질화물 유리들의 화학물과 매우 유사할 것으로 예상될 수 있기 때문이다. 유사하게, 가열된 기판상에 직접 컴포넌트 엘리먼트들의 증착 프로세스는 결정질 형태의 다른 리튬 함유 전이 금속 산화물들의 생성에 적용 가능하다. 임의의 전이 금속 또는 금속들은 지금까지 논의된 망간 및 망간 플러스 니켈 실시예들에 대해 대체될 수 있다. 전이 금속들의 화학물은 충분히 유사하고, 관심 있는 임의의 리튬 함유 전이 금속 산화물에 대해결정질 재료가 본 발명의 방법을 사용하는 중간 기판 온도들에서 증착될 것이 예상될 수 있는 그룹에 걸쳐 예측 가능하다. 특정 애플리케이션들에 대해 특정 관심 대상인 재료들은 캐소드들로서 사용하기 위한 , , , (NCA) 및 , 및 애노드들로서 사용하기 위한 이다. 이들 재료들은 다른 애플리케이션들에 사용될 수 있지만, 다른 리튬 함유 전이 금속 산화물들은 가능하다.So far, the preparation of amorphous lithium borosilicate and nitrogen-doped lithium borosilicate and crystalline LMO and LMNO has been described in detail. However, the present invention is not limited to these materials, and the deposition process of component elements directly on a heated substrate is applicable to the production of other lithium containing oxide and oxynitride compounds. Further examples include compounds including lithium silicate and lithium borates, and other glass-forming elements such as germanium, aluminum, arsenic, and antimony. It can be expected that amorphous oxides and oxynitrides can be prepared by the methods according to the invention, because the chemicals of the binary oxides are expected to be very similar to the chemicals of the tertiary oxide / oxynitride glasses. Because it can. Similarly, the deposition process of component elements directly on a heated substrate is applicable to the production of other lithium containing transition metal oxides in crystalline form. Any transition metal or metals may be substituted for the manganese and manganese plus nickel embodiments discussed so far. The chemistry of the transition metals is sufficiently similar and predictable over the group in which crystalline material can be expected to be deposited at intermediate substrate temperatures using the method of the present invention for any lithium containing transition metal oxide of interest. Materials of particular interest for certain applications are intended for use as cathodes. , , , (NCA) and For use as, and anodes to be. These materials can be used for other applications, but other lithium containing transition metal oxides are possible.
기판들Substrates
본원에 제시된 실험 결과들은 티타늄 및 백금 코팅 사파이어 기판들 및 티타늄 및 백금 코팅 실리콘 기판들상에 증착된 박막들에 관한 것이다. 그러나, 다른 기판들은 만약 바람직하면 사용될 수 있다. 다른 적당한 예들은 석영, 실리카, 유리, 사파이어, 및 포일(foil)들을 포함하는 금속 기판들을 포함하지만, 당업자는, 다른 기판 재료들이 또한 적당할 것이라는 것을 이해할 것이다. 기판에 대한 요건들은, 적당한 증착 표면이 제공되고, 요구된 가열을 견딜 수 있는 것이고; 그렇지 않으면 기판 재료는, 증착된 화합물이 두어지는 애플리케이션을 참조하여 원해지는 바와 같이 선택될 수 있다.The experimental results presented herein relate to thin films deposited on titanium and platinum coated sapphire substrates and titanium and platinum coated silicon substrates. However, other substrates may be used if desired. Other suitable examples include metal substrates including quartz, silica, glass, sapphire, and foils, but one skilled in the art will understand that other substrate materials will also be suitable. Requirements for the substrate are that a suitable deposition surface is provided and can withstand the required heating; Otherwise the substrate material may be selected as desired with reference to the application in which the deposited compound is placed.
또한, 본 발명의 실시예들은 기판 표면상에, 및 기판상에 이전에 증착되었거나 그렇지 않으면 제조된 하나 또는 그 초과의 층들 상에 직접 컴포넌트 엘리먼트들의 증착에 똑같이 적용 가능하다. 이것은 상기 논의된 실험 결과들로부터 분명하고, 여기서 막들은 그렇지 않으면 빈 가열된 기판들상에 증착되고, 비정질 전해질 층들은 샘플 배터리들을 제조할 때 캐소드 층상에 증착되었고, 다수의 층들은 스택된 셀을 나타낼 때 성공적으로 증착되었다. 따라서, 이 애플리케이션에서 "기판", "기판상에 증착", "기판상에 동시-증착"의 참조는 유사하게 "하나 또는 그 초과의 미리 제조된 층들을 지지하는 기판", "기판상에 이전에 제조된 층 또는 층들상에 증착", "기판상에 이전에 제조된 층 또는 층들 상에 동시-증착" 등에 똑같이 적용된다. 본 발명은 기판 및 증착되는 임의의 특정 비정질 또는 결정질 층 사이에 개재하는 임의의 다른 층들이 있든 없든 똑같이 적용된다.In addition, embodiments of the present invention are equally applicable to the deposition of component elements directly on a substrate surface and directly on one or more layers previously deposited or otherwise fabricated on the substrate. This is evident from the experimental results discussed above, where films were otherwise deposited on empty heated substrates, amorphous electrolyte layers were deposited on the cathode layer when fabricating sample batteries, and multiple layers were deposited on the stacked cells. It was successfully deposited when indicated. Thus, in this application, references to "substrate", "deposit on substrate", "co-deposition on substrate" similarly refer to "substrate supporting one or more prefabricated layers", "substrate on substrate" The same applies to " deposition on a layer or layers fabricated in " ", " co-deposition on a layer or layers previously fabricated on a substrate. &Quot; The present invention applies equally whether or not there are any other layers interposed between the substrate and any particular amorphous or crystalline layer to be deposited.
애플리케이션들Applications
우수한 이온 전도율, 부드러운 표면 형태학, 및 우수한 충전 및 방전 용량들 같은 특성들과 결합되는, 양쪽 비정질 및 결정질 박막 재료들을 형성하기 위한 본 발명의 방법들의 능력은 재료들이 박막 배터리들의 전해질들 및 전극들로서 사용하기에 매우 적당하게 하고, 이는 주 애플리케이션일 것으로 예상된다. 본 발명의 방법들은 양쪽 단일 셀들 및 스택된 셀들이 제공되는 센서들, 광전지 셀들 및 집적 회로들 등 같은 디바이스들 내의 배터리 컴포넌트들의 제조에 쉽게 적응 가능하다. 그러나, 재료들은 배터리 컴포넌트들로서 사용하는 것으로 제한되지 않고, 방법은 임의의 다른 애플리케이션들을 위하여 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물들 및 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물들의 층들을 증착하기 위하여 사용될 수 있다. 가능한 예들은 센서들, 리튬 분리기들, 인터페이스 모디파이어들 및 전기 화학 디바이스들 내의 이온 전도체들을 포함한다.The ability of the methods of the present invention to form both amorphous and crystalline thin film materials, combined with properties such as good ionic conductivity, smooth surface morphology, and good charge and discharge capacities allows the materials to be used as electrolytes and electrodes in thin film batteries. It is very suitable to do this, which is expected to be the main application. The methods of the present invention are readily adaptable to the manufacture of battery components in devices such as sensors, photovoltaic cells and integrated circuits, etc., in which both single cells and stacked cells are provided. However, the materials are not limited to using as battery components, and the method can be used to deposit layers of amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compounds and crystalline lithium-containing transition metal oxides for any other applications. Possible examples include ionic conductors in sensors, lithium separators, interface modifiers, and electrochemical devices.
또한, 박막들은 층진 어레인지먼트보다 오히려 인접한 어레인지먼트로 본 발명에 따라 증착될 수 있다.Further, the thin films can be deposited according to the invention in adjacent arrangements rather than layered arrangements.
첨조문헌들References
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Claims (35)
제 1 층을 위해 의도된 화합물 및 제 2 층을 위해 의도된 화합물의 컴포넌트 엘리먼트의 복수의 기상 소스들을 제공하는 단계 ― 상기 복수의 기상 소스들의 각각은 상기 화합물들의 오직 하나의 컴포넌트 엘리먼트만을 포함하고, 상기 복수의 기상 소스들은 적어도 리튬 소스, 산소 소스, 하나 또는 그 초과의 유리-형성 엘리먼트들의 소스 또는 소스들, 및 하나 또는 그 초과의 전이 금속들의 소스 또는 소스들을 포함함 ―;
기판을 제 1 온도로 가열하는 단계;
상기 가열된 기판 상에 적어도 상기 리튬, 산소 및 상기 하나 또는 그 초과의 상기 전이 금속들의 기상 소스들로부터의 컴포넌트 엘리먼트들을 동시-증착하는 단계 ― 상기 컴포넌트 엘리먼트들은 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층을 형성하기 위하여 상기 기판 상에서 반응함 ―;
상기 기판을 제 2 온도로 가열하는 단계; 및
상기 가열된 기판 상에 적어도 리튬, 산소 및 상기 하나 또는 그 초과의 유리-형성 엘리먼트들의 기상 소스들로부터의 컴포넌트 엘리먼트들을 동시-증착하는 단계 ― 상기 컴포넌트 엘리먼트들은 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층을 형성하기 위하여 상기 기판 상에서 반응함 ―
를 포함하고,
상기 제 1 온도 및 상기 제 2 온도는 170℃ 또는 그 미만의 온도 범위 내에 있는,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.A vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure,
Providing a plurality of vapor sources of a compound element intended for a first layer and a component element of a compound intended for a second layer, each of the plurality of vapor sources comprising only one component element of the compounds, The plurality of vapor sources comprises at least a lithium source, an oxygen source, a source or sources of one or more glass-forming elements, and a source or sources of one or more transition metals;
Heating the substrate to a first temperature;
Co-depositing component elements from gaseous sources of at least said lithium, oxygen and said one or more said transition metals on said heated substrate, said component elements being a layer of a crystalline lithium-containing transition metal oxide compound Reacting on the substrate to form a;
Heating the substrate to a second temperature; And
Co-depositing component elements from at least lithium, oxygen and gaseous sources of the one or more glass-forming elements on the heated substrate, wherein the component elements are formed of an amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound. Reacting on the substrate to form a layer;
Including,
The first temperature and the second temperature are within a temperature range of 170 ° C. or less,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층은, 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층 이전에 증착되는,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method of claim 1,
The layer of crystalline lithium-containing transition metal oxide compound is deposited before the layer of amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층은, 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층 이전에 증착되는,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method of claim 1,
The layer of amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound is deposited prior to the layer of crystalline lithium-containing transition metal oxide compound,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 온도 범위는 180℃ 내지 350℃인,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
The temperature range is 180 ℃ to 350 ℃,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 제 1 및 제 2 온도들은 150℃ 또는 그 미만의 범위에 있는,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the first and second temperatures are in the range of 150 ° C. or less,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 제 1 온도는 350℃이고 상기 제 2 온도는 225℃인,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
The first temperature is 350 ° C. and the second temperature is 225 ° C.,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 제 1 온도 및 상기 제 2 온도는 동일한,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
The first temperature and the second temperature are the same,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 제 1 온도 및 상기 제 2 온도 둘 다는 225℃인,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method of claim 7, wherein
Wherein both the first temperature and the second temperature are 225 ° C.,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 하나 또는 그 초과의 전이 금속들의 소스 또는 소스들은 망간 소스를 포함하고 상기 결정질 리튬-함유 금속 산화물 화합물은 리튬 망간 산화물이거나, 또는 망간 소스 및 니켈 소스 및 결정질 리튬-함유 금속 산화물 화합물은 리튬 망간 니켈 산화물인,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
The source or sources of one or more transition metals comprise a manganese source and the crystalline lithium-containing metal oxide compound is lithium manganese oxide or the manganese source and nickel source and the crystalline lithium-containing metal oxide compound are lithium manganese nickel Oxide,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 하나 또는 그 초과의 전이 금속들의 소스 또는 소스들은 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 이트륨, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 데트네튬, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 카드뮴, 루테튬, 하프늄, 탄탈륨, 텅스텐, 레늄, 오스뮴, 이리듐, 팔라듐, 금 및 수은 중 하나 또는 그 초과의 각각의 소스를 포함하는,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
The source or sources of one or more transition metals may be scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, detnetium, ruthenium, rhodium, palladium, Each source comprising one or more of silver, cadmium, lutetium, hafnium, tantalum, tungsten, rhenium, osmium, iridium, palladium, gold and mercury,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 기상 소스들은 질소의 소스를 더 포함하고, 상기 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물은 리튬-함유 산질화물 화합물인,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
The gaseous sources further comprise a source of nitrogen, and wherein the amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound is a lithium-containing oxynitride compound,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 하나 또는 그 초과의 유리-형성 엘리먼트들의 소스 또는 소스들은 붕소 소스 및 실리콘 소스를 포함하고, 상기 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물은 리튬 붕규산염이거나, 또는 하나 또는 그 초과의 유리-형성 엘리먼트들의 소스 또는 소스들은 붕소 소스 및 실리콘 소스를 포함하고, 상기 기상 소스들은 질소 소스를 더 포함하고, 상기 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물은 질소-도핑 리튬 붕규산염인,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
The source or sources of the one or more glass-forming elements comprise a boron source and a silicon source and the amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound is lithium borosilicate or one or more glass-forming elements Source or sources of boron include a boron source and a silicon source, the gaseous sources further comprise a nitrogen source, and the amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound is nitrogen-doped lithium borosilicate,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물은 리튬 규산염, 산질화물 리튬 규산염, 리튬 붕산염 또는 산질화물 리튬 붕산염인,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound is lithium silicate, oxynitride lithium silicate, lithium borate or oxynitride lithium borate
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 하나 또는 그 초과의 유리-형성 엘리먼트들의 소스 또는 소스들은 붕소, 실리콘, 게르마늄, 알루미늄, 비소 및 안티몬 중 하나 또는 그 초과의 소스들을 포함하는,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
The source or sources of the one or more glass-forming elements include one or more sources of boron, silicon, germanium, aluminum, arsenic and antimony,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층은 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층 상에 증착되는,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method according to claim 1 or 2,
Wherein the layer of amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound is deposited on the layer of crystalline lithium-containing transition metal oxide compound,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층은 박막 배터리의 캐소드를 형성하기 위하여 증착되고 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층은 박막 배터리의 전해질을 형성하기 위하여 증착되는,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the layer of crystalline lithium-containing transition metal oxide compound is deposited to form a cathode of a thin film battery and the layer of amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound is deposited to form an electrolyte of a thin film battery,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층 및/또는 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층 상에 하나 또는 그 초과의 추가 층들을 형성하는 단계를 더 포함하는,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
Further comprising forming one or more additional layers on the layer of the crystalline lithium-containing transition metal oxide compound and / or the layer of the amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
적어도 하나의 추가 층은 상기 기판 상에, 추가 층을 위해 의도된 화합물의 각각의 컴포넌트 엘리먼트의 기상 소스들로부터 상기 화합물의 컴포넌트 엘리먼트들을 동시-증착함으로써 형성되고, 상기 컴포넌트 엘리먼트들은 상기 추가 층을 위해 의도된 화합물의 층을 형성하기 위하여 상기 기판 상에서 반응하는,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method of claim 17,
At least one additional layer is formed on the substrate by co-depositing the component elements of the compound from the vapor sources of each component element of the compound intended for the additional layer, the component elements for the additional layer. Reacting on the substrate to form a layer of the intended compound,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 기판은, 제 3 층이 형성될 때 제 3 온도로 가열되고, 상기 제 1 온도, 상기 제 2 온도 및 상기 제 3 온도는 170℃ 또는 그 미만의 온도 범위 내에 있는,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method of claim 18,
The substrate is heated to a third temperature when a third layer is formed, wherein the first temperature, the second temperature and the third temperature are within a temperature range of 170 ° C. or less,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 제 1 온도, 상기 제 2 온도 및 상기 제 3 온도는 동일한,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method of claim 19,
The first temperature, the second temperature and the third temperature are the same,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층은 박막 배터리의 캐소드를 형성하기 위하여 증착되고, 상기 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층은 박막 배터리의 전해질을 형성하기 위하여 증착되고, 그리고 상기 하나 또는 그 초과의 추가 층들은 적어도 박막 배터리의 애노드를 포함하는,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method of claim 17,
The layer of crystalline lithium-containing transition metal oxide compound is deposited to form a cathode of a thin film battery, the layer of amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound is deposited to form an electrolyte of a thin film battery, and the one Or further layers comprise at least the anode of the thin film battery,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층은 제 1 박막 배터리의 캐소드를 형성하기 위하여 증착되고, 상기 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층은 상기 제 1 박막 배터리의 전해질을 형성하기 위하여 증착되고, 그리고 상기 하나 또는 그 초과의 추가 층들은 배터리 스택(stack)을 형성하기 위하여 적어도 상기 제 1 박막 배터리의 애노드 및 상기 제 1 박막 배터리 상에 형성된 제 2 박막 배터리의 캐소드, 전해질 및 애노드를 포함하는,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method of claim 17,
The layer of crystalline lithium-containing transition metal oxide compound is deposited to form a cathode of a first thin film battery, and the layer of amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound is deposited to form an electrolyte of the first thin film battery. And the one or more additional layers comprise at least an anode of the first thin film battery and a cathode, an electrolyte and an anode of a second thin film battery formed on the first thin film battery to form a battery stack. doing,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 기상 증착 방법을 사용하여 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층으로서 배터리의 캐소드를 그리고 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층으로서 상기 배터리의 전해질을 증착하는 단계를 포함하는,
배터리를 만드는 방법.As a way to make a battery,
The method of claim 1, wherein the battery is used as a layer of a crystalline lithium-containing transition metal oxide compound and the cathode is a layer of an amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound. Comprising depositing an electrolyte,
How to make a battery.
결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층 형태의 캐소드 및 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층 형태의 전해질을 포함하고, 상기 캐소드 및 상기 전해질은 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 기상 증착 방법을 사용하여 증착되는,
배터리.As a battery,
A cathode in the form of a layer of a crystalline lithium-containing transition metal oxide compound and an electrolyte in the form of a layer of an amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound, the cathode and the electrolyte according to any one of claims 1 to 3. Deposited using a vapor deposition method according to
battery.
결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층 형태의 캐소드 및 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물 층 형태의 전해질을 가진 배터리를 포함하고, 상기 캐소드 및 상기 전해질은 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 기상 증착 방법을 사용하여 증착되는,
전자 디바이스.As an electronic device,
A battery having a cathode in the form of a layer of crystalline lithium-containing transition metal oxide compound and an electrolyte in the form of an amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound layer, wherein the cathode and the electrolyte are any one of claims 1 to 3. Deposited using a vapor deposition method according to claim
Electronic device.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 기상 증착 방법을 사용하여 기판 상에 증착된 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물의 층 및 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층을 포함하는,
샘플.As a sample,
A layer of crystalline lithium-containing transition metal oxide and a layer of amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound deposited on a substrate using a vapor deposition method according to any one of claims 1 to 3,
Sample.
제 1 박막 셀 및 상기 제 1 박막 셀 상에 스택된 적어도 하나의 제 2 박막 셀을 포함하고, 각각의 박막 셀은 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물의 층을 포함하는 캐소드 및 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물의 층을 포함하는 전해질을 포함하고, 상기 캐소드 및 상기 전해질은 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 기상 증착 방법을 사용하여 증착되는,
배터리 스택.As a battery stack,
A cathode and an amorphous lithium-containing oxide comprising a first thin film cell and at least one second thin film cell stacked on the first thin film cell, each thin film cell comprising a layer of a crystalline lithium-containing transition metal oxide compound Or an electrolyte comprising a layer of an oxynitride compound, wherein the cathode and the electrolyte are deposited using a vapor deposition method according to any one of claims 1 to 3,
Battery stack.
상기 결정질 리튬-함유 전이 금속 산화물 화합물은 리튬 망간 산화물 또는 리튬 망간 니켈 산화물을 포함하는,
배터리 스택.The method of claim 27,
Wherein the crystalline lithium-containing transition metal oxide compound comprises lithium manganese oxide or lithium manganese nickel oxide,
Battery stack.
상기 비정질 리튬-함유 산화물 또는 산질화물 화합물은 리튬 붕규산염 또는 질소-도핑 리튬 붕규산염을 포함하는,
배터리 스택.The method of claim 27,
Wherein the amorphous lithium-containing oxide or oxynitride compound comprises lithium borosilicate or nitrogen-doped lithium borosilicate,
Battery stack.
상기 제 1 및 제 2 온도들은 100℃ 또는 그 미만의 범위에 있는,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the first and second temperatures are in the range of 100 ° C. or less,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 제 1 및 제 2 온도들은 75℃ 또는 그 미만의 범위에 있는,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the first and second temperatures are in the range of 75 ° C. or less,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 제 1 및 제 2 온도들은 50℃ 또는 그 미만의 범위에 있는,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the first and second temperatures are in the range of 50 ° C. or less,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 제 1 및 제 2 온도들은 25℃ 또는 그 미만의 범위에 있는,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the first and second temperatures are in the range of 25 ° C. or less,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 제 1 및 제 2 온도들은 10℃ 또는 그 미만의 범위에 있는,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the first and second temperatures are in the range of 10 ° C. or less,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
상기 제 1 및 제 2 온도들은 5℃ 또는 그 미만의 범위에 있는,
다-층 박막 구조를 준비하기 위한 기상 증착 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the first and second temperatures are in the range of 5 ° C. or less,
Vapor deposition method for preparing a multi-layer thin film structure.
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